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 , а также центральной концентрации звезд, известной как балдж . Они часто окружены гораздо более тусклым ореолом звезд, многие из которых находятся в шаровых скоплениях .
Спиральные галактики названы по своим спиральным структурам, простирающимся от центра к галактическому диску. Спиральные рукава являются местом продолжающегося звездообразования и ярче окружающего диска из-за населяющих их молодых горячих OB-звезд .
Примерно две трети всех спиралей имеют дополнительную составляющую в виде стержневидной структуры [2] , отходящей от центрального выступа, на концах которого начинаются спиральные рукава. Пропорция спиралей с перемычкой по отношению к спиралям без перемычек , вероятно, изменилась за историю Вселенной : примерно 10% содержали перемычки около 8 миллиардов лет назад, до примерно четверти 2,5 миллиарда лет назад, до настоящего времени, когда более двух третей галактики в видимой Вселенной ( объем Хаббла ) имеют полосы. [3]
Млечный Путь представляет собой спираль с перемычкой, хотя саму перемычку трудно наблюдать с текущего положения Земли внутри галактического диска. [4] Наиболее убедительные доказательства того, что звезды образуют перемычку в Галактическом центре , получены в нескольких недавних исследованиях, в том числе на космическом телескопе Спитцер . [5]
Вместе с неправильными галактиками спиральные галактики составляют примерно 60% галактик 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 важность 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 и тонкие области напоминают спираль и поэтому дали спиральным галактикам свое название. Естественно, разные классификации спиральных галактик имеют разные структуры рукавов. Например, галактики Sc и SBc имеют очень «свободные» рукава, тогда как галактики Sa и SBa имеют плотно свернутые рукава (относительно последовательности 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. Этот термин относится к центральной группе звезд, обнаруженной в большинстве спиральных галактик, которую часто определяют как избыток звездного света над экстраполяцией внутрь внешнего (экспоненциального) света диска.
Согласно классификации Хаббла, балдж галактик Sa обычно состоит из звезд населения II — старых красных звезд с низким содержанием металлов. Кроме того, балдж галактик Sa и SBa имеет тенденцию быть большим. Напротив, балджи галактик Sc и SBc намного меньше [8] и состоят из молодых голубых звезд населения I. Некоторые балджи имеют свойства, аналогичные свойствам эллиптических галактик (уменьшенные до меньшей массы и светимости); другие просто появляются как центры дисков с более высокой плотностью и обладают свойствами, подобными дисковым галактикам.
Считается, что в центре многих выпуклостей находится сверхмассивная черная дыра . Например, в нашей галактике объект под названием Стрелец А* представляет собой сверхмассивную черную дыру. Существует множество доказательств существования черных дыр в центрах спиральных галактик, включая наличие активных ядер в некоторых спиральных галактиках, а также динамические измерения, которые обнаруживают большие компактные центральные массы в галактиках, таких как Мессье 106 .
Барообразные удлинения звезд наблюдаются примерно в двух третях всех спиральных галактик. [9] [10] Их присутствие может быть как сильным, так и слабым. В спиральных (и линзовидных) галактиках, видимых с ребра, наличие перемычки иногда можно различить по внеплоским X-образным структурам или структурам в форме (скорлупы арахиса) [11] [12] , которые обычно имеют максимальную видимость. на половине длины плоского стержня.
Основная масса звезд в спиральной галактике расположена либо вблизи единой плоскости ( галактической плоскости ) на более или менее обычных круговых орбитах вокруг центра галактики ( Галактического центра ), либо в сфероидальной галактической выпуклости вокруг галактического центра. основной.
Однако некоторые звезды обитают в сфероидальном гало или галактическом сфероиде , типе галактического гало . Орбитальное поведение этих звезд оспаривается, но они могут иметь ретроградные и/или сильно наклоненные орбиты или вообще не двигаться по регулярным орбитам. Звезды гало могут быть получены из небольших галактик, которые падают в спиральную галактику и сливаются с ней — например, карликовая сфероидальная галактика Стрельца находится в процессе слияния с Млечным Путем, и наблюдения показывают, что некоторые звезды в гало Млечного Пути имеют были приобретены от него.
В отличие от галактического диска, гало кажется свободным от пыли , и, напротив, звезды в галактическом гало относятся к Населению II , намного старше и с гораздо меньшей металличностью , чем их родственники из Населения I в галактическом диске (но похожи на те, что в галактической выпуклости). Галактическое гало также содержит множество шаровых скоплений.
Движение звезд гало иногда действительно приводит их через диск, и считается, что ряд небольших красных карликов, близких к Солнцу , принадлежат галактическому гало, например Звезда Каптейна и Грумбридж 1830 . Из-за неравномерного движения вокруг центра галактики эти звезды часто демонстрируют необычно высокое собственное движение .
Самая старая спиральная галактика — BX442 . Ему одиннадцать миллиардов лет, и это более чем на два миллиарда лет старше любого предыдущего открытия. Исследователи полагают, что форма галактики вызвана гравитационным влиянием карликовой галактики- компаньона . Компьютерные модели, основанные на этом предположении, показывают, что спиральная структура BX442 просуществует около 100 миллионов лет. [14] [15]
A1689B11 — чрезвычайно старая спиральная галактика, расположенная в скоплении галактик Abell 1689 в созвездии Девы. [16] A1689B11 находится на расстоянии 11 миллиардов световых лет от Земли и образовалась через 2,6 миллиарда лет после Большого взрыва. [17] [18]
BRI 1335-0417 — самая далекая известная спиральная галактика по состоянию на 2021 год. Красное смещение галактики составляет 4,4, а это означает, что ее свету потребовалось 12,4 миллиарда лет, чтобы достичь Земли. [19]
В июне 2019 года гражданские ученые из Galaxy Zoo сообщили, что обычная классификация Хаббла , особенно в отношении спиральных галактик , может не поддерживаться и может нуждаться в обновлении. [20] [21]
Пионером исследований вращения Галактики и образования спиральных рукавов был Бертиль Линдблад в 1925 году. Он понял, что идея о звездах, постоянно расположенных в форме спирали, несостоятельна. Поскольку угловая скорость вращения галактического диска меняется в зависимости от расстояния от центра галактики (согласно стандартной гравитационной модели Солнечной системы), радиальный рукав (например, спица) быстро искривляется по мере вращения галактики. После нескольких галактических оборотов рукав стал бы все более изогнутым и все сильнее обвивал бы галактику. Это называется проблемой обмотки . Измерения конца 1960-х годов показали, что орбитальная скорость звезд в спиральных галактиках по отношению к их расстоянию от центра галактики действительно выше, чем ожидалось из ньютоновской динамики , но все еще не может объяснить стабильность спиральной структуры.
С 1970-х годов существовали две основные гипотезы или модели спиральных структур галактик:
Эти разные гипотезы не являются взаимоисключающими, поскольку могут объяснять разные типы спиральных рукавов.
Бертиль Линдблад предположил, что рукава представляют собой области повышенной плотности (волны плотности), которые вращаются медленнее, чем звезды и газ галактики. Когда газ входит в волну плотности, он сжимается и образует новые звезды, некоторые из которых являются недолговечными голубыми звездами, которые освещают рукава. [23]
Первая приемлемая теория спиральной структуры была разработана К.С. Линем и Фрэнком Шу в 1964 году [24] , пытавшимися объяснить крупномасштабную структуру спиралей в терминах волны малой амплитуды, распространяющейся с фиксированной угловой скоростью и вращающейся вокруг галактика со скоростью, отличной от скорости газа и звезд галактики. Они предположили, что спиральные рукава являются проявлением спиральных волн плотности – они предположили, что звезды движутся по слегка эллиптическим орбитам и что ориентация их орбит коррелирует, т.е. эллипсы плавно меняются в своей ориентации (один к другому) с увеличивающееся расстояние от центра галактики. Это показано на диаграмме справа. Понятно, что эллиптические орбиты в определенных областях сближаются, создавая эффект рукавов. Поэтому звезды не остаются навсегда в том положении, в котором мы их видим сейчас, а проходят сквозь рукава, путешествуя по своим орбитам. [25]
Существуют следующие гипотезы звездообразования, вызванного волнами плотности:
Спиральные рукава кажутся визуально ярче, поскольку содержат как молодые звезды, так и более массивные и яркие звезды, чем остальная часть галактики. Поскольку массивные звезды развиваются гораздо быстрее, [26] их гибель имеет тенденцию оставлять более темный фон из более тусклых звезд сразу за волнами плотности. Это делает волны плотности гораздо более заметными. [23]
Кажется, что спиральные рукава просто проходят через более старые существующие звезды, когда они путешествуют по своим галактическим орбитам, поэтому они также не обязательно следуют за рукавами. [23] Когда звезды движутся через рукав, космическая скорость каждой звездной системы изменяется под действием гравитационной силы местной более высокой плотности. Кроме того, вновь созданные звезды не остаются навсегда фиксированными в положении внутри спиральных рукавов, где средняя космическая скорость возвращается к норме после того, как звезды отходят на другую сторону рукава. [25]
Чарльз Фрэнсис и Эрик Андерсон на основе наблюдений за движением более 20 000 местных звезд (в пределах 300 парсеков) показали, что звезды действительно движутся по спиральным рукавам, и описали, как взаимная гравитация между звездами заставляет орбиты выравниваться по логарифмическим спиралям. Когда теория применяется к газу, столкновения между газовыми облаками порождают молекулярные облака , в которых формируются новые звезды , и объясняется эволюция в сторону бисимметричных спиралей грандиозного дизайна. [27]
Звезды в спиралях распределены в тонких радиальных дисках с профилями интенсивности такими, что [28] [29] [30]
где — масштаб диска; является центральной ценностью; полезно определить: как размер звездного диска, светимость которого равна
.
Профили блеска спиральных галактик по координате не зависят от светимости галактики.
.jpeg/1280px-A_Spiral_Amongst_Thousands_(potm2301a).jpeg)
До того, как стало понятно, что спиральные галактики существуют за пределами нашей галактики Млечный Путь, их часто называли спиральными туманностями из-за лорда Росса , чей телескоп Левиафан первым 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 выявил аналогичную закономерность у 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. [31]
Вопрос о том, были ли такие объекты отдельными галактиками, независимыми от Млечного Пути, или типом туманности, существующей внутри нашей собственной галактики, был предметом Великого Дебата 1920 года между Хибером Кертисом из Ликской обсерватории и Харлоу Шепли из обсерватории Маунт-Вилсон . Начиная с 1923 года Эдвин Хаббл [32] [33] наблюдал переменные цефеиды в нескольких спиральных туманностях, включая так называемую «Туманность Андромеды» , доказав, что они, по сути, представляют собой целые галактики за пределами нашей. Термин спиральная туманность с тех пор вышел из употребления.
Млечный Путь когда-то считался обычной спиральной галактикой. Астрономы впервые начали подозревать, что Млечный Путь представляет собой спиральную галактику с перемычкой, в 1960-х годах. [34] [35] Их подозрения были подтверждены наблюдениями космического телескопа Спитцер в 2005 году, [36] которые показали, что центральный бар Млечного Пути больше, чем предполагалось ранее.
что эта спиральная структура будет сохраняться более или менее вечно, даже несмотря на то, что отдельные звезды и газовые облака всегда дрейфуют в рукава и снова выходят из них..
