Спиральные рукава являются определяющей особенностью спиральных галактик . Они проявляются как спиралевидные области повышенной яркости внутри галактического диска . Обычно спиральные галактики имеют два или более спиральных рукава. Коллективная конфигурация этих рукавов называется спиральной структурой или спиральной структурой галактики.
Внешний вид спиральных гильз довольно разнообразен. Спиральные галактики грандиозного дизайна имеют симметричную и четкую структуру, состоящую из двух спиральных рукавов, простирающихся по всей галактике. Напротив, спиральная структура рыхлых галактик состоит из множества мелких фрагментов рукавов, не связанных друг с другом. Внешний вид спиральных рукавов варьируется в зависимости от электромагнитного спектра .
Помимо повышенной яркости, спиральные рукава характеризуются повышенной концентрацией межзвездного газа и пыли , яркими звездами и звездными скоплениями , активными звездообразованиями , более синим цветом и повышенной напряженностью магнитного поля в галактиках. Вклад спиральных рукавов в общую светимость галактик для некоторых галактик может достигать 40-50%. Характеристики спиральных рукавов коррелируют с другими свойствами галактик, например, угол закручивания спиральных рукавов связан с такими параметрами, как масса сверхмассивной черной дыры в центре и вклад балджа в общую светимость.
Для объяснения происхождения спиральных рукавов были предложены две основные теории: стохастическая модель самораспространяющегося звездообразования и теория волн плотности . Эти теории описывают разные варианты спиральной структуры и не исключают друг друга. Помимо этих теорий, существуют и другие теории, способные объяснить появление спиральной структуры в некоторых случаях.
Спиральная структура была впервые обнаружена в 1850 году лордом Россом в галактике М51 . Природа спиральной структуры галактик долгое время оставалась невыясненной.
Спиральные рукава [1] являются определяющей особенностью структурного состава спиральных галактик , которые расположены внутри дисков и обладают повышенной яркостью по сравнению с окружающей средой. [2] Такие структуры имеют форму спиралей , которые в галактиках без перемычки обычно возникают из области вблизи центра галактики, тогда как в галактиках с перемычкой они возникают на концах перемычки. [3] Спиральные рукава не распространяются по всему радиусу диска и прекращаются на расстоянии, на котором диск еще можно различить. [4] Галактика обычно состоит из двух или более спиральных рукавов. [5] Совокупная конфигурация этих рукавов внутри галактики называется спиральным узором или спиральной структурой. [6]
Около двух третей всех массивных галактик являются спиральными галактиками. [7] Спиральные рукава наблюдались в галактиках на красных смещениях до , а иногда и на больших расстояниях, что соответствует времени, когда возраст Вселенной был меньше половины нынешнего. Это говорит о том, что спиральная структура является долгоживущим явлением. [8]
Спиральные рукава демонстрируют значительные различия во внешнем виде. [5] В целом для них характерна повышенная концентрация газа и пыли , активная вспышка звезд , а также большее преобладание звездных скоплений , областей H II и ярких звезд, чем в остальной части диска. [2] Хотя спиральные рукава можно идентифицировать в первую очередь благодаря молодому звездному населению, внутри них также существует повышенная концентрация старых звезд. [4] [7]
Внешний вид и выраженность спиральных ветвей в галактике могут различаться в зависимости от части электромагнитного спектра, в которой она наблюдается. В синей и ультрафиолетовой частях спектра хорошо выражены спиральные рукава благодаря наличию голубых сверхгигантов . В красном и ближнем инфракрасном диапазоне больший вклад вносят более старые звезды, из-за чего спиральные рукава кажутся более гладкими, но менее контрастными. Излучение межзвездной пыли делает спиральные рукава яркими в дальнем инфракрасном диапазоне, а излучение нейтрального водорода и молекул делает их яркими в радиодиапазоне . Наибольший контраст и количество мелких деталей в спиральных рукавах можно увидеть при наблюдении в эмиссионных спектральных линиях , создаваемых эмиссионными туманностями , а также в линиях полиароматических углеводородов , создаваемых холодными газовыми облаками. [9]
Появление спиральных рукавов — один из критериев морфологической классификации галактик . Например, в схеме классификации Хаббла спиральные галактики делятся на типы Sa, Sb, Sc. Спиральные галактики с перемычкой делятся на типы SBa, SBb и SBc. Спиральные рукава галактик ранних типов Sa и SBa плотно закручены и гладкие, а у галактик поздних типов Sc и SBc — узловатые и рыхлые. Типы Sb и SBb обладают промежуточными характеристиками. [10] [11]
Спиральная структура галактик демонстрирует значительное разнообразие внешнего вида. Спиральные галактики грандиозного дизайна имеют симметричную и четкую структуру, состоящую из двух спиральных рукавов, простирающихся по всей галактике. На их долю приходится 10% от общего числа спиральных галактик. Напротив, спиральная структура флоккулентных галактик состоит из множества мелких фрагментов рукавов, не связанных друг с другом. Среди спиральных галактик доля таких галактик равна 30%. [4] [13]
Остальные галактики относятся к промежуточному типу, называемому «многорукавным» [14] , который демонстрирует свойства как флоккулентных галактик, так и галактик великого дизайна. Например, они могут казаться галактиками грандиозного дизайна, но при этом иметь более двух рукавов. В качестве альтернативы они могут иметь более упорядоченную двуплечую структуру внутри, которая становится нерегулярной на периферии. [15] [16] [17] Тем не менее, почти во всех случаях в спиральной структуре присутствуют оба типа структуры. Даже в галактиках грандиозного дизайна есть детали, которые не вписываются в спиральный узор. [4] Кроме того, существуют галактики, которые демонстрируют разные типы спиральной структуры при наблюдении в разных спектральных диапазонах. [18] Различие между двумя основными типами спиральных рукавов, по-видимому, связано с фундаментальными физическими различиями между ними. [19]
Кроме того, спиральные рукава подразделяются на две категории: массивные и нитевидные. В первом случае спиральные рукава широкие, размытые и не сильно контрастируют с пространством между ними. Напротив, во втором случае спиральные рукава узкие и четко выраженные. [21]
Форма рычага обычно параметрируется углом наклона . Угол наклона — это угол между касательной к спиральному рукаву в данной точке и перпендикуляром к радиусу, проведенному к этой точке. У большинства спиральных галактик средний питч-угол лежит в пределах от 5° до 30°. [13] [23] Спиральные рукава с малым углом наклона называются тугозакрученными, а с большим углом наклона — открытыми. [24]
Форму спиральных рукавов часто упрощенно описывают как логарифмическую спираль . Однако спиральные рукава также можно описать как архимедову или гиперболическую спираль . В случае логарифмической спирали угол наклона постоянен. Он уменьшается с увеличением расстояния от центра в спирали Архимеда и увеличивается в гиперболической спирали. Измерения углов закручивания галактик показывают, что лишь у меньшинства спиральных галактик питч-углы рукавов близки к постоянным. Более двух третей галактик имеют питч-углы, которые изменяются более чем на 20%. Обнаружено, что средний угол закручивания коррелирует с рядом различных параметров галактики. Например, спиральные рукава галактик с более яркими балджами имеют тенденцию закручиваться туже. [24]
Спиральные рукава дополнительно можно разделить на ведомые и ведущие. В случае отстающих спиральных рукавов их внешние кончики направлены в сторону, противоположную направлению вращения галактики. В случае ведущих рукавов их внешние кончики указывают в том же направлении, в котором вращается галактика. На практике сложно определить, являются ли рукава данной галактики ведущими или отстающими. Чтобы наблюдать спиральную структуру, галактику не следует сильно наклонять к картинной плоскости. Однако для определения направления вращения необходим небольшой наклон. Кроме того, необходимо определить сторону галактики, расположенную ближе к наблюдателю. Обзор наблюдательных данных показывает, что у большинства галактик наблюдаются ведомые спиральные рукава, причем ведущие рукава встречаются относительно редко. Например, среди двухсот изученных таким образом галактик только две могут иметь ведущие рукава. В некоторых случаях галактики имеют как ведущие, так и ведомые спиральные рукава, примером чего является NGC 4622 . Численное моделирование показало, что ведущие спиральные рукава могут возникать при определенных обстоятельствах. Одним из таких примеров является то, что гало темной материи вращается против галактического диска. [25] [26]
Ширина спиральных рукавов у большинства галактик увеличивается по мере удаления от центра. Галактики грандиозного дизайна имеют наибольшую ширину спиральных рукавов. [27]
Отношение светимости спиральной структуры к светимости всей галактики является наибольшим для спиральных галактик грандиозного дизайна. Для этих галактик это соотношение составляет в среднем 21%, а у некоторых достигает 40-50%. Для рыхлых и многорукавных галактик это соотношение составляет 13% и 14% соответственно. Кроме того, у более поздних морфологических типов увеличивается доля спиральных рукавов в общей светимости. Для галактик типа Sa эта доля составляет в среднем 13%, а для галактик типа Sc — 30%. [27]
У галактик поздних морфологических типов цвет спиральных рукавов становится все более синим. Показатель цвета gr для галактик типа Sc составляет примерно 0,3-0,4 m , а для галактик типа Sa — 0,5-0,6 m . [27]
Кроме того, существуют анемичные галактики (анемичные спирали). [28] Эти галактики отличаются размытым, слабым спиральным узором, что объясняется уменьшенным количеством газа и , следовательно, уменьшенной скоростью звездообразования по сравнению с обычными спиральными галактиками того же морфологического типа. Анемичные галактики более распространены в скоплениях галактик . По-видимому, галактики в этих скоплениях подвержены напорному давлению , что приводит к быстрой потере газа. Предполагается, что этот тип галактик может находиться между спиральными и линзовидными галактиками. [29] [30]
В спиральных рукавах наблюдаются более сильные магнитные поля , чем в остальной части галактики. Средняя величина магнитных полей в спиральных галактиках — 10 микрогаусс , а в их спиральных рукавах — 25 микрогаусс . В галактиках с ярко выраженным спиральным рисунком магнитные поля ориентированы вдоль рукавов. Однако в некоторых случаях магнитное поле может образовывать отдельную спиральную структуру, проходящую в пространстве между видимыми спиральными рукавами. И наоборот, магнитные поля могут влиять на движение газа внутри галактики и способствовать образованию спиральных рукавов. [31] [32] Однако они недостаточно сильны, чтобы играть доминирующую роль в формировании спиральных рукавов. [33]
Параметры спиральных рукавов коррелируют с другими свойствами галактик. Например, установлено, что галактики с большим питч-углом обычно имеют меньшую массу сверхмассивной черной дыры в своем центре [34] и меньшую массу галактики в целом. Кроме того, их выпуклость вносит меньший вклад в общую светимость, они имеют меньшую дисперсию скоростей в центре, а их кривые вращения кажутся более возрастающими. [35] Однако эти зависимости не особенно выражены. [36] Хотя угол наклона спиральных рукавов изначально был введен в морфологическую классификацию галактик как один из классификационных критериев, последующий анализ показал, что эта величина коррелирует с морфологическим типом в меньшей степени, чем, например, показатель цвет спиральных рукавов. [27] Корреляцию между углом тангажа и вышеупомянутыми параметрами можно объяснить теоретически. Описанные величины связаны с распределением масс внутри галактики, которое влияет на характер распространения волны плотности внутри галактического диска. [37]
В более массивных галактиках с более упорядоченной структурой спиральные рукава наблюдаются более выраженными и контрастными. [27] Кроме того, контраст между спиральными рукавами более выражен в галактиках с выраженной перемычкой , хотя эта корреляция относительно слаба. [38] В целом, хлопьевидные галактики имеют меньшую массу и более поздний морфологический тип, чем галактики великого дизайна. [39]
Установить наличие спиральных рукавов в диске нашей галактики с помощью оптических наблюдений сложно , учитывая, что Солнце расположено в плоскости диска Млечного Пути, а свет поглощается межзвездной пылью . Тем не менее, спиральные рукава можно наблюдать, например, при картировании распределения нейтрального водорода или молекулярных облаков . [40]
Точное местоположение, длина и количество спиральных рукавов остаются неопределенными. [1] [41] Однако преобладает мнение, что Млечный Путь содержит четыре основных спиральных рукава: два главных — рукава Щита-Центавра и Персея , и два второстепенных — рукава Нормы и Стрельца . [42] Их угол наклона составляет примерно 12°, а ширина оценивается в 800 парсеков . [43] Помимо крупных рукавов, выделяются и более мелкие подобные образования, такие как рукав Ориона . [44]
Преобладание спиральных галактик указывает на то, что спиральная структура является долгоживущим явлением. Однако, поскольку сами галактики вращаются дифференциально, а не как твердые тела, любая структура в диске должна значительно искривиться и исчезнуть примерно за один-два оборота. Двумя наиболее распространенными решениями этого вопроса являются стохастическая модель самораспространяющегося звездообразования (SSPSF) и теория волн плотности , которые описывают разрозненные варианты спиральной структуры. Первое объяснение утверждает, что спиральные рукава постоянно формируются и рассеиваются, не имея достаточного времени для значительного скручивания – такие спиральные рукава называются материальными рукавами. Теория волн плотности утверждает, что спиральный узор представляет собой волну плотности, поэтому вращается независимо от диска как твердого тела. Следовательно, спиральные рукава называются волновыми рукавами. Эти типы спиральных рукавов могут возникать одновременно в одной и той же галактике. [19] [45]
Приливные хвосты , наблюдаемые во взаимодействующих галактиках, также считаются материальными спиральными рукавами. Из-за низкой скорости материи на расстоянии от галактики приливные хвосты, по-видимому, сохраняются в течение длительного периода времени. [46]
Модель SSPSF утверждает, что спиральные рукава возникают, когда в какой-то области галактики активизируется звездообразование . Присутствие молодых ярких звезд в этом регионе оказывает влияние на окружающую межзвездную среду . Например, взрыв сверхновой порождает ударную волну в газе, тем самым способствуя распространению звездообразования по галактическому диску. [47] За период менее 100 миллионов лет самые яркие звезды в этом регионе успевают погаснуть. Это меньше времени, необходимого для одного оборота галактики. Дифференциальное вращение этой области позволяет ей растягиваться в короткую дугу. Учитывая, что звездообразование представляет собой непрерывный процесс, происходящий в разных областях диска, в разное время по всему диску существует множество таких дуг, которые можно наблюдать как хлопьевидный спиральный узор. [48] [49] Учитывая, что такие спиральные рукава видны только благодаря молодым звездам, они оказывают минимальное влияние на распределение масс внутри галактики и редко наблюдаются в инфракрасном диапазоне . [46]
В контексте теории волн плотности считается, что спиральные рукава возникают, когда внутри диска происходят механические колебания , вызывающие волну плотности — звезды движутся внутри диска таким образом, что сходятся в определенных областях и становятся более концентрированными. Волна плотности оказывает определяющее влияние не только на звезды, но и на газ, способствуя тем самым более активному звездообразованию в областях, где концентрация звезд выше. Одновременно в разные моменты времени внутри спирального рукава возникают разные звезды, в результате чего волна плотности движется с другой скоростью, чем звездный диск. Следовательно, волна плотности не подвержена закручиванию. Влияние этого механизма приводит к образованию крупномасштабной упорядоченной спиральной структуры, которая наблюдается и в инфракрасном диапазоне. [50] [51] [52] Концентрация звезд в спиральном рукаве увеличивается всего на 10-20%, однако это относительно скромное изменение гравитационного потенциала оказывает глубокое влияние на газовую динамику. Газ ускоряется, и в нем могут возникать ударные волны, проявляющиеся в рукавах темными пылевыми полосами . [6]
На практике подтвердить наличие волны плотности сложно. Однако это можно сделать, например, определив определенный радиус коротации — область, в которой спиральный рукав движется с той же скоростью, что и звезды. Его можно идентифицировать, наблюдая за цветовыми градиентами внутри рук. Поскольку звездное население формируется внутри рукава и впоследствии со временем краснеет, градиент цвета должен наблюдаться поперек рукава, если его скорость отличается от скорости рукава. [53] [54] Предполагается, что волны плотности создаются и поддерживаются стержнями галактик или приливной силой их спутников . [6]
Теория волн плотности постулирует, что устойчивы только замыкающие спиральные рукава и что любая ведущая структура в какой-то момент должна перейти в отстающую. Одновременно с этим сама структура усиливается в течение периода после трансформации, который называется колебательным усилением. [55]
Некоторые теории предлагают альтернативные механизмы возникновения спиральных рукавов, отличающиеся от теории волн плотности и модели SSPSF. Эти теории призваны не полностью заменить вышеупомянутые теории, а скорее объяснить появление спиральных рукавов в конкретных случаях. Например, теория многообразия применима только к спиральным галактикам с перемычкой . Согласно этой теории, гравитационное воздействие бара заставляет орбиты звезд располагаться определенным образом, создавая спиральные рукава и двигаясь по ним. Название теории связано с тем, что в этой модели звезды, движущиеся в спиральных рукавах, образуют многообразие в фазовом пространстве . В отличие от теории волн плотности, теория многообразий не предполагает возникновения цветовых градиентов в спиральных рукавах, которые фактически наблюдаются во многих галактиках. Тот факт, что в галактиках с перемычкой спиральные рукава возникают из области, приближенной к перемычке, может указывать на корреляцию между этими структурами и теорией многообразия. Однако это не единственная теория, объясняющая возникновение оружия благодаря решетке. [56] [57]
Спиральные рукава были впервые обнаружены в галактике Водоворот (M51), в которой Лорд Росс определил спиральную структуру в 1850 году. [41]
В 1896 году была сформулирована проблема скручивания. Если бы спиральные рукава были материальными объектами, из-за дифференциального вращения они бы скручивались очень быстро до такой степени, что их было бы невозможно наблюдать. Следовательно, вопрос о природе спиральной структуры оставался нерешенным в течение значительного периода времени. С 1927 года этим вопросом занимается Бертиль Линдблад , который в 1961 году правильно пришел к выводу, что спиральные рукава возникают из-за гравитационного взаимодействия между звездами в диске. Впоследствии, в 1964 году, Цзя-Цяо Линь и Фрэнк Шу предложили теорию , согласно которой спиральные рукава можно представить как волны плотности. [51] [58] Модель SSPSF была впервые предложена в 1978 году, хотя концепция взрыва сверхновой , стимулирующей звездообразование в соседних регионах, была впервые предложена Эрнстом Опиком еще в 1953 году. Это наблюдение легло в основу последующей теории. [59] [60]
В 1953 году с высокой степенью точности были измерены расстояния до различных звездных ассоциаций нашей Галактики. Это позволило открыть спиральную структуру в Млечном Пути. [40]
Классификация галактик на хлопьевидные, многорукавные и большие категории дизайна основана на более сложной морфологической схеме классификации, включающей 10 классов, которые описывают тип спирального узора. Схема классификации была разработана Деброй и Брюсом Элмегрином в 1987 году. Впоследствии они предложили упрощенную схему, которая и используется в настоящее время. [61] [62]
Несмотря на значительные успехи теории волн плотности, физическая природа спиральных рукавов остается темой дискуссий, и четкого консенсуса пока не достигнуто. [63] [64]