Спиральные галактики образуют класс галактик, первоначально описанный Эдвином Хабблом в его работе 1936 года «Царство туманностей» [1] и, как таковые, являются частью последовательности Хаббла . Большинство спиральных галактик состоят из плоского вращающегося диска, содержащего звезды , газ и пыль , и центральной концентрации звезд, известной как балдж . Они часто окружены гораздо более тусклым гало звезд, многие из которых находятся в шаровых скоплениях .
Спиральные галактики получили свое название благодаря спиральным структурам, которые простираются от центра в галактический диск. Спиральные рукава являются местами продолжающегося звездообразования и ярче окружающего диска из-за молодых, горячих OB-звезд , которые их населяют.
Примерно две трети всех спиралей, как наблюдалось, имеют дополнительный компонент в виде структуры, похожей на стержень, [2], простирающейся от центрального выступа, на концах которого начинаются спиральные рукава. Соотношение спиралей с перемычками относительно спиралей без перемычек , вероятно, изменилось на протяжении истории Вселенной , и только около 10% содержали перемычки около 8 миллиардов лет назад, до примерно четверти 2,5 миллиарда лет назад, до настоящего времени, когда более двух третей галактик в видимой Вселенной ( объем Хаббла ) имеют перемычки. [3]
Млечный Путь представляет собой спираль с перемычкой, хотя саму перемычку трудно наблюдать с текущего положения Земли в галактическом диске. [4] Наиболее убедительные доказательства того, что звезды образуют перемычку в Галактическом центре , получены в ходе нескольких недавних исследований, в том числе с помощью космического телескопа Spitzer . [5]
Вместе с неправильными галактиками спиральные галактики составляют примерно 60% галактик в сегодняшней Вселенной. [6] Они в основном встречаются в регионах с низкой плотностью и редко встречаются в центрах скоплений галактик. [7]
Спиральные галактики могут состоять из нескольких отдельных компонентов:
Относительная значимость различных компонентов с точки зрения массы, яркости и размера варьируется от галактики к галактике.
Спиральные рукава — это области звезд, которые простираются от центра спиральных галактик с перемычкой и без перемычки . Эти длинные, тонкие области напоминают спираль и поэтому дают спиральным галактикам их название. Естественно, разные классификации спиральных галактик имеют различную структуру рукавов. Например, галактики Sc и SBc имеют очень «рыхлые» рукава, тогда как галактики Sa и SBa имеют плотно закрученные рукава (со ссылкой на последовательность Хаббла). В любом случае, спиральные рукава содержат много молодых голубых звезд (из-за высокой плотности массы и высокой скорости звездообразования), которые делают рукава такими яркими.
Балдж — это большая, плотно упакованная группа звезд. Термин относится к центральной группе звезд, обнаруженной в большинстве спиральных галактик, часто определяемой как избыток звездного света над внутренней экстраполяцией внешнего (экспоненциального) дискового света.
Используя классификацию Хаббла, балдж галактик Sa обычно состоит из звезд населения II , которые являются старыми красными звездами с низким содержанием металлов. Кроме того, балдж галактик Sa и SBa, как правило, большой. Напротив, балджи галактик Sc и SBc намного меньше [9] и состоят из молодых голубых звезд населения I. Некоторые балджи имеют схожие свойства с эллиптическими галактиками (уменьшенные до меньшей массы и светимости); другие просто выглядят как более плотные центры дисков со свойствами, похожими на свойства дисковых галактик.
Многие балджи, как полагают, содержат в своих центрах сверхмассивную черную дыру . Например, в нашей собственной галактике объект под названием Стрелец A* является сверхмассивной черной дырой. Существует множество доказательств существования черных дыр в центрах спиральных галактик, включая наличие активных ядер в некоторых спиральных галактиках и динамические измерения, которые обнаруживают большие компактные центральные массы в галактиках, таких как Мессье 106 .
Вытянутые в виде перемычек звезды наблюдаются примерно в двух третях всех спиральных галактик. [10] [11] Их присутствие может быть как сильным, так и слабым. В спиральных (и линзовидных) галактиках, видимых с ребра, присутствие перемычки иногда можно различить по внеплоскостным структурам в форме X или (скорлупы арахиса) [12] [13], которые обычно имеют максимальную видимость на половине длины перемычки в плоскости.
Основная масса звезд в спиральной галактике расположена либо вблизи одной плоскости ( галактической плоскости ) на более или менее обычных круговых орбитах вокруг центра галактики ( галактического центра ), либо в сфероидальном галактическом выступе вокруг галактического ядра.
Однако некоторые звезды обитают в сфероидальном гало или галактическом сфероиде , типе галактического гало . Орбитальное поведение этих звезд оспаривается, но они могут демонстрировать ретроградные и/или сильно наклоненные орбиты или вообще не двигаться по регулярным орбитам. Звезды гало могут быть приобретены из небольших галактик, которые попадают в спиральную галактику и сливаются с ней — например, Карликовая сфероидальная галактика в Стрельце находится в процессе слияния с Млечным Путем, и наблюдения показывают, что некоторые звезды в гало Млечного Пути были приобретены из нее.
В отличие от галактического диска, гало, по-видимому, не содержит пыли , и в качестве дальнейшего контраста, звезды в галактическом гало относятся к Населению II , намного старше и с гораздо меньшей металличностью , чем их кузены из Населения I в галактическом диске (но похожие на те, что находятся в галактическом балдже). Галактическое гало также содержит множество шаровых скоплений.
Движение звезд гало иногда проносит их через диск, и считается, что ряд небольших красных карликов, близких к Солнцу, принадлежат галактическому гало, например, звезда Каптейна и Грумбридж 1830. Из-за своего нерегулярного движения вокруг центра галактики эти звезды часто демонстрируют необычно высокое собственное движение .
BRI 1335-0417 является старейшей и самой далекой из известных спиральных галактик по состоянию на 2024 год. Галактика имеет красное смещение 4,4, что означает, что ее свету потребовалось 12,4 миллиарда лет, чтобы достичь Земли. [15]
Самая старая спиральная галактика грандиозного дизайна в архиве — BX442 . Ей одиннадцать миллиардов лет, что на два миллиарда лет больше, чем любому предыдущему открытию. Исследователи полагают, что форма галактики вызвана гравитационным влиянием сопутствующей карликовой галактики . Компьютерные модели, основанные на этом предположении, показывают, что спиральная структура BX442 сохранится около 100 миллионов лет. [16] [17]
A1689B11 — чрезвычайно старая спиральная галактика, расположенная в скоплении галактик Abell 1689 в созвездии Девы. [18] A1689B11 находится в 11 миллиардах световых лет от Земли, образовавшись через 2,6 миллиарда лет после Большого взрыва. [19] [20]
В июне 2019 года гражданские ученые через Galaxy Zoo сообщили, что обычная классификация Хаббла , особенно касающаяся спиральных галактик , может не поддерживаться и может нуждаться в обновлении. [21] [22]
Пионером в изучении вращения Галактики и формирования спиральных рукавов был Бертил Линдблад в 1925 году. Он понял, что идея о звездах, постоянно расположенных в форме спирали, несостоятельна. Поскольку угловая скорость вращения галактического диска меняется с расстоянием от центра галактики (через стандартную гравитационную модель типа солнечной системы), радиальный рукав (как спица) быстро стал бы искривленным по мере вращения галактики. Рукав, после нескольких галактических оборотов, стал бы все более искривленным и обвился бы вокруг галактики все плотнее. Это называется проблемой намотки . Измерения в конце 1960-х годов показали, что орбитальная скорость звезд в спиральных галактиках относительно их расстояния от галактического центра действительно выше, чем ожидалось из ньютоновской динамики , но все еще не может объяснить устойчивость спиральной структуры.
С 1970-х годов существуют две основные гипотезы или модели спиральных структур галактик:
Эти различные гипотезы не являются взаимоисключающими, поскольку они могут объяснять различные типы спиральных рукавов.
Бертил Линдблад предположил, что рукава представляют собой области повышенной плотности (волны плотности), которые вращаются медленнее, чем звезды и газ галактики. Когда газ попадает в волну плотности, он сжимается и создает новые звезды, некоторые из которых являются короткоживущими голубыми звездами, освещающими рукава. [24]
Первая приемлемая теория спиральной структуры была разработана CC Lin и Frank Shu в 1964 году [25], которые пытались объяснить крупномасштабную структуру спиралей в терминах малоамплитудной волны, распространяющейся с фиксированной угловой скоростью, которая вращается вокруг галактики со скоростью, отличной от скорости газа и звезд галактики. Они предположили, что спиральные рукава являются проявлениями спиральных волн плотности — они предположили, что звезды движутся по слегка эллиптическим орбитам, и что ориентация их орбит коррелирует, т. е. эллипсы плавно изменяют свою ориентацию (друг относительно друга) с увеличением расстояния от галактического центра. Это проиллюстрировано на диаграмме справа. Очевидно, что эллиптические орбиты сближаются в определенных областях, создавая эффект рукавов. Поэтому звезды не остаются навсегда в том положении, в котором мы их сейчас видим, а проходят через рукава, двигаясь по своим орбитам. [26]
Существуют следующие гипотезы звездообразования, вызванного волнами плотности:
Спиральные рукава визуально кажутся ярче, поскольку содержат как молодые звезды, так и более массивные и яркие звезды, чем остальная часть галактики. Поскольку массивные звезды развиваются гораздо быстрее, [27] их гибель имеет тенденцию оставлять более темный фон из более слабых звезд сразу за волнами плотности. Это делает волны плотности гораздо более заметными. [24]
Спиральные рукава просто кажутся проходящими через старые сформировавшиеся звезды, когда они движутся по своим галактическим орбитам, поэтому они также не обязательно следуют за рукавами. [24] Когда звезды движутся через рукав, пространственная скорость каждой звездной системы изменяется гравитационной силой локальной более высокой плотности. Кроме того, вновь созданные звезды не остаются навсегда фиксированными в положении внутри спиральных рукавов, где средняя пространственная скорость возвращается к норме после того, как звезды покидают рукав. [26]
Чарльз Фрэнсис и Эрик Андерсон показали из наблюдений за движениями более 20 000 местных звезд (в пределах 300 парсеков), что звезды действительно движутся вдоль спиральных рукавов, и описали, как взаимная гравитация между звездами заставляет орбиты выравниваться по логарифмическим спиралям. Когда теория применяется к газу, столкновения между газовыми облаками генерируют молекулярные облака , в которых формируются новые звезды , и объясняется эволюция в направлении бисимметричных спиралей грандиозного дизайна. [28]
Звезды в спиралях распределены в тонких радиальных дисках с такими профилями интенсивности, что [29] [30] [31]
где - длина шкалы диска; - центральное значение; полезно определить: как размер звездного диска, светимость которого
.
Профили света спиральных галактик в координатах не зависят от светимости галактики.
До того, как стало понятно, что спиральные галактики существуют за пределами нашей галактики Млечный Путь, их часто называли спиральными туманностями , благодаря лорду Россу , чей телескоп Левиафан был первым, кто раскрыл спиральную структуру галактик. В 1845 году он открыл спиральную структуру M51, галактики, позже прозванной « Галактикой Водоворот », и его рисунки очень напоминают современные фотографии. В 1846 и 1849 годах лорд Росс идентифицировал похожую структуру в Мессье 99 и Мессье 33 соответственно. В 1850 году он сделал первый рисунок спиральной структуры галактики Андромеды . В 1852 году Стивен Александер предположил, что Млечный Путь также является спиральной туманностью. [32]
Вопрос о том, являются ли такие объекты отдельными галактиками, независимыми от Млечного Пути, или типом туманности, существующей внутри нашей собственной галактики, был предметом Великого спора 1920 года между Хебером Кертисом из Ликской обсерватории и Харлоу Шепли из Маунт-Вилсонской обсерватории . Начиная с 1923 года Эдвин Хаббл [33] [34] наблюдал переменные цефеиды в нескольких спиральных туманностях, включая так называемую «Туманность Андромеды» , доказав, что они, по сути, являются целыми галактиками за пределами нашей собственной. Термин спиральная туманность с тех пор вышел из употребления.
Млечный Путь когда-то считался обычной спиральной галактикой. Астрономы впервые начали подозревать, что Млечный Путь является перемычкой спиральной галактики в 1960-х годах. [35] [36] Их подозрения были подтверждены наблюдениями космического телескопа Spitzer в 2005 году, [37] которые показали, что центральная перемычка Млечного Пути больше, чем предполагалось ранее.
и Шу показали, что эта спиральная структура будет сохраняться более или менее вечно, хотя отдельные звезды и газовые облака постоянно дрейфуют в рукава и обратно..
