Природа спиральных рукавов Галактик

Природа спиральных рукавов Галактик.

Доктор физико-математических наук Ю. Н. Ефремов.

Природа колебаний.

Спиральная структура — столь распространенная и бросающаяся в глаза особенность многих галактик, что проблема ее природы уступает по своей важности разве только проблеме активности галактических ядер. Именно ядрам некоторые исследователи и приписывают порождение спиральных рукавов. Первым высказал это предположение (еще в 1928 году) Дж. Джине. Он писал: «Каждая неудачная попытка объяснить происхождение спиральных ветвей делает все более трудным сопротивление предположению, что спиральные рукава являются полем действия сил, полностью неизвестных нам, отражающих, возможно, новые метрические свойства пространства, о которых мы и не подозреваем». Джине допускал, что в ядрах галактик «в нашу Вселенную вливается вещество из каких-то других, совершенно чуждых нам пространственных измерений». Истечение вещества из ядра в сочетании с вращением и могло бы породить рукава. Однако сейчас нет необходимости привлекать потусторонние силы для объяснения спиральной структуры. Круговые орбиты звезд галактического диска, отсутствие движения вещества вдоль рукавов — уже только эти факты делают подобные объяснения несостоятельными. К тому же рукава, как правило, начинаются не в непосредственной близости от ядра, а в нескольких килопарсеках от него. Джине тем не менее был, очевидно, прав в одном: «Пока спиральные ветви остаются необъясненными, невозможно чувствовать доверие к любым предположениям и гипотезам, касающимся других особенностей туманностей, которые кажутся более легко поддающимися объяснению». 

Два мнения о спиральной структуре. 

На первый взгляд, спиральный узор галактик вызван их дифференциальным вращением. Лишь центральные области галактик вращаются как твердое тело, а дальше угловая скорость вращения убывает с расстоянием от центра. Поэтому любая достаточно большая и разреженная группировка звезд, в которой взаимное притяжение между звездами слабое, должна со временем превратиться в обрывок спирального рукава. Но, прежде чем галактика сделает один оборот, в этом фрагменте рукава погаснут звезды большой светимости, и он исчезнет из вида. Вместе с тем уже возникшую каким-то образом спиральную структуру дифференциальное галактическое вращение должно «размыть» за пару оборотов. Однако в 1976 году американские астрономы М. Мюллер и В. Арнет показали, что, если процесс звездообразования распространяется на соседние области, то дифференциальное вращение галактики может породить довольно длинные, хотя и не очень правильные, спиральные рукава, неоднократно появляющиеся и исчезающие за время жизни галактики. Массивные звезды образуются в газовом облаке гораздо быстрее, когда это облако испытывает повышенное давление, — приходит волна сжатия после взрыва расположенной неподалеку сверхновой или возгорания мощно излучающих 0-звезд. Массивные звезды, рождающиеся в облаке, быстро превращаются в сверхновые или 0-звезды, и, если рядом есть другие газовые облаке, эстафета звездообразования передается дальше. О возможности такого, эпидемического характера звездообразования В. Бааде говорил еще четверть века назад. 

У. Герола и Ф. Сейден (США) усовершенствовали модель образования спиральной структуры, предложенную Мюллером и Арнетом, еще более приблизив ее к реальности. Эта модель привлекательна тем, что она объясняет природу спиральной структуры процессами и явлениями (дифференциальное вращение и эпидемическое звездообразование), без сомнения существующими в действительности. Тем не менее все большую популярность приобретает волновая теория спиральной структуры, которую возродили в 1964 году Ц. Лин и Ф. Шу (США), развившие идеи Б. Линдблада. Согласно волновой теории, спиральные рукава — это волны повышенной плотности вещества, вращающиеся вокруг центра галактики как твердое тело, подобно узору на волчке. Волны плотности движутся, не перенося с собой вещества, как, например, звуковые волны или волны на поверхности воды. Скорости, с которыми вращаются вокруг центра галактики спиральные рукава (волны плотности) и вещество (звезды и газ), вообще говоря, не совпадают. Достаточно близко к центру газ вращается быстрее волны плотности и натекает на спиральный рукав с внутренней стороны. Если различие их скоростей достаточно велико, возникает ударная волна, в которой плотность газа повышается раз в десять, и это сжатие газа приводит к интенсивному образованию массивных звезд. Помимо газа у внутреннего края спирального рукава концентрируется и пыль, видимая на фотографиях как темная полоса. Радиоастрономические данные подтверждают, что именно в этих темных полосах особенно велика плотность водорода. 

Различие скоростей вращения спирального узора и галактического вещества уменьшается по мере удаления от центра галактики, пока эти скорости не становятся равными на радиусе коротации. Еще дальше от центра галактики спиральные рукава вращаются быстрее, чем звезды и газ, столкновение с которыми теперь должно происходить у внешнего края рукава (подразумевается, что в галактиках спиральные рукава всегда закручиваются). Однако близ радиуса коротации спиральные рукава едва заметны, и, что делается за этим радиусом, сказать трудно. 

Ближе к центру галактики самые молодые звезды должны быть сосредоточены у внутреннего края рукава — там, где они и рождаются. Звезды вращаются быстрее рукава и, обгоняя его, успевают постареть и стать менее яркими или недоступными нашим телескопам, превратившись в черную дыру или белый карлик. Таким образом, в поперечном сечении спирального рукава должен существовать перепад (градиент) возрастов звезд. У внутреннего края рукава располагаются зоны наивысшей плотности газа и пыли, затем — области звездообразования и молодые звезды, у внешнего края рукава — самые старые звезды из тех, что концентрируются к рукавам. 

Некое подобие волны плотности можно наблюдать в движении муравьев, если на их тропе выкопать канавку. Очень скоро плотность муравьев вблизи канавки становится много больше, чем в среднем на тропе. Муравьи довольно быстро выбираются из канавки, но в ней застревают все новые муравьи, и зона повышенной плотности у канавки сохраняется. Если теперь вообразить, что канавка перемещается вдоль тропы, аналогия с волной плотности в спиральных галактиках станет полнее. Спиральная волна плотности способна возникнуть в галактике под действием приливного возмущения от близкого спутника или в результате отклонения от осевой симметрии в распределении звезд вокруг центра галактики. Эти отклонения могут быть столь незначительны, что остаются незамеченными. Волновая теория имеет ряд убедительных подтверждений: бесспорные признаки резкого повышения плотности газа и пыли перед внутренним краем звездных спиральных рукавов, наблюдающиеся во многих галактиках, и связанные с гравитационным полем рукавов крупномасштабные отклонения от кругового вращения. Эти отклонения выявлены по лучевым скоростям звезд высокой светимости в нашей Галактике и нейтрального водорода в галактике М 81 в созвездии Большой Медведицы. По-видимому, только волновая теория может объяснить существование (хотя и редких) галактик с длинными гладкими рукавами без признаков звездообразования в них. В таких галактиках практически нет газа. 

Очевидно, что эпидемическое звездообразование может происходить и при наличии спиральной волны плотности. Первое поколение массивных звезд, родившихся в этой волне, вполне способно воздействовать на окружающие газовые облака, распространяя эпидемию звездообразования дальше. Задача состоит в том, чтобы понять, в каких галактиках или их областях спиральная структура обязана своим происхождением волне плотности, а в каких — дифференциальному вращению и эпидемическому звездообразованию, и почему в той или иной галактике доминирует один из этих механизмов, Казалось бы, легче всего выяснить природу спиральных рукавов, проведя поиск градиента возрастов молодых звезд в поперечном сечении рукава. Но в далеких галактиках такой поиск не приносит определенных результатов — скорее всего из-за трудностей в интерпретации данных интегральной фотометрии и малого разрешения, а в нашей Галактике ему очень мешают наблюдательная селекция и неточность в знании расстояний. К тому же в диске Галактики из-за межзвездного поглощения оптическим телескопам доступны расстояния, обычно не превышающие 4— 5 кпк, то есть область, охватывающая не более 10% площади ее диска. Некоторые исследователи даже считают, что молодые звезды и звездные скопления в окрестностях Солнца распределены преимущественно вдоль радиусов, направленных от Солнца. Но такое распределение отражает влияние наблюдательной селекции и в особенности наличие больших пылевых облаков, резко ослабляющих блеск расположенных за ними объектов. В нашей Галактике мы подобны путникам в густом лесу— из-за деревьев не видим леса, тогда как по отношению к далеким галактикам — пролетаем над лесом слишком высоко, чтобы различить породы деревьев или рельеф местности. Надо изучать ближайшие галактики, где нам доступны отдельные звезды, где мы можем исследовать характеристики этих звезд и однозначно установить их связь с элементами галактической структуры. Эффективность исследований ближайших галактик подтверждается всей историей астрономии XX века. 

Ключ к проблеме— в ближайших галактиках. 

В наше время, когда внимание физиков и астрономов устремлено к границам Вселенной, стали забывать, что астрономическая картина мира родилась именно при изучении ближайших галактик, в первую 'очередь — туманности Андромеды (М31) и галактики в созвездии Треугольника (М 33). В конце 1923 года молодой астроном обсерватории Маунт Вилсон — бывший боксер и адвокат Э. Хаббл, проводя поиск новых звезд, открыл в туманности Андромеды первую цефеиду, а через год, применив уже к 12 цефеидам зависимость период — светимость, оценил расстояние до этой «туманности». Выяснилось: по размерам, составу и строению она такая же галактика, как и наша. Опираясь на цефеиды в ближайших галактиках, Хаббл смог затем определить расстояния до далеких галактик и в 1929 году показал, что красное смещение в спектрах галактик пропорционально их расстоянию от нас. Итак, Вселенная населена галактиками и расширяется. Доказательство этого остается и по сей день крупнейшим достижением астрономии XX века, незыблемым фундаментом естествознания. 

Становление фундаментальной концепции звездных населений также связано с исследованием ближайших галактик. В 1943 году В. Бааде обнаружил, что центральная часть М 31 состоит из таких же звезд, как старые шаровые скопления. Стало окончательно ясно, что в дисках и спиральных рукавах галактик «обитает» молодое население I, в коронах и центральных областях спиральных галактик, в шаровых скоплениях и эллиптических галактиках—старое население II. Через несколько лет Бааде выяснил, что спиральные рукава М 31 обрисовываются не только звездами высокой светимости, но и пылью, а также областями ионизированного водорода Н II. Изучая области Н II в нашей Галактике, В.Морган и его сотрудники получили в 1952 году первые надежные данные о локализации отрезков спиральных рукавов в окрестностях Солнца. 

Исследование спиральных рукавов в ближайших галактиках подтвердило также, что гигантские молекулярные облака (состоящие в основном из молекул водорода) концентрируются в рукавах. Эти облака были обнаружены в нашей Галактике в 1975—1976 годах. И вплоть до 1981 года одни исследователи полагали, что молекулярные облака «равнодушны» к спиральной структуре, другие же считали, что они концентрируются в спиральных рукавах. И только детальное изучение спиральной структуры М 31 позволило доказать, что молекулярные облака столь же хорошо обрисовывают рукава, как и атомарный водород. Облака образуются в спиральных рукавах, а затем разрушаются под воздействием излучения родившихся в них 0-звезд. А так как масса газа, не израсходованного на формирование звезд, обычно существенно больше суммарной массы звезд, остающаяся после раз-лета газа звездная группировка оказывается гравитационно неустойчивой, чем и объясняется распад 0-ассоциаций — разреженных группировок молодых звезд. 

Поиски градиента возрастов звезд в спиральных рукавах также имеют наибольшие шансы на успех именно в ближайших галактиках. Одними из первых попытались это сделать французские астрономы. В М 33 они нашли признаки градиента возрастов лишь в части южного спирального рукава, ближайшей к центру галактики. Эти признаки (преимущественная концентрация пыли и областей Н II у внутреннего края рукава) выражены довольно слабо, а нейтральный водород (Н I) оказался плотнее всего не у края, а близ середины рукава. Спиральные рукава М 33 состоят из довольно коротких обрывков, много звезд высокой светимости находится за пределами рукавов, поэтому главная роль в образовании спиральной структуры этой галактики должна принадлежать не волнам плотности, а дифференциальному вращению и эпидемическому звездообразованию. 

Четкий спиральный узор заметен у галактики М31, но его детальное исследование долгое время представлялось мало перспективным. Из-за небольшого угла между плоскостью галактики и лучом зрения расшифровка ее спиральной структуры весьма трудна, и до сих пор продолжаются споры не только о числе рукавов, но. и об их ориентации относительно направления вращения галактики. По мнению автора, даже на фотографиях видно, что рукава отходят от ядра М 31 по часовой стрелке и, поскольку галактика вращается в противоположном направлении, спирали закручиваются. Это предположение подтверждается формой пылевых волокон близ ядра М 31 и распределением нейтрального водорода вдали от центра галактики. Во всяком случае, локализация многих отрезков рукавов в М 31 однозначна, и, следовательно, особенности их структуры можно сопоставить с предсказаниями волновой теории. 

Анатомия спирального рукава. 

В юго-западном «углу» галактики М 31 хорошо заметен отрезок спирального рукава, обозначенный Бааде как S 4. Он пересекает большую ось галактики на расстоянии 50' от ее центра. В этом рукаве действительно наблюдается последовательность возрастов, предсказываемая волновой теорией. Перед его внутренним краем видна .мощная пылевая полоса, с нею совпадает максимум плотности нейтрального водорода. В центральной и юго-восточной частях S4 наиболее яркие области Н II встречаются почти исключительно у внутреннего края рукава. Здесь, следовательно, сосредоточены самые молодые и горячие 0-звезды. Максимумы плотности атомарного и молекулярного водорода совпадают друг с другом, указывая места максимального сжатия газа. Молекулы водорода образуются в наиболее плотных и холодных облаках, и именно в молекулярных облаках выполняются условия, необходимые для звездообразования. Этот процесс начинается перед краем рукава, там, где плотность нейтрального и молекулярного водорода максимальная, а в зонах Н II на самом краю наиболее массивные звезды уже сформировались. Здесь сияют 0-звезды, возраст которых не превышает 10^6 лет. Дальше от края рукава зон Н II почти нет, так как при своем движении от края рукава 0-звезды успевают проэволюционировать и превратиться в нейтронные звезды или черные дыры. Градиент возрастов звезд в поперечном сечении спирального рукава S 4 удобнее исследовать на участке, где рукав разворачивается, то есть близ большой оси. Здесь луч зрения направлен почти точно вдоль рукава и расстояния звезд от его внутреннего края определяются увереннее. В этой области рукава S 4 автор статьи вместе с сотрудником кафедры астрономии Софийского университета Г. Р. Ивановым измерили видимые величины звезд на пластинке, полученной с 2-метровым рефлектором Национальной астрономической обсерватории НРБ. Зная расстояние до М 31 и учтя межзвездное поглощение света, можно от видимых звездных величин перейти' к абсолютным, а значит, найти светимости звезд. Спиральный рукав S 4 неоднократно фотографировал на 5-метровом рефлекторе Бааде, изучавший в 1950—1952 годах переменные звезды в М31. К счастью, среди переменных оказалось много цефеид. Для них существует зависимость период—возраст (по наблюдательным данным ее получил автор статьи в 1964 году), объясняющаяся тем, что более массивные звезды быстрее переходят в стадию цефеид и имеют больший период пульсаций. Изучив в какой-то области галактики распределение цефеид разных возрастов, можно восстановить здесь историю звездообразования на временном интервале от 10 (период пульсаций 50 дней) до 90 (период пульсаций 2 дня) миллионов лет назад. 

В рукаве S 4 светимости постоянных звезд и периоды цефеид, максимальные для данного расстояния от края рукава, убывают с удалением от него. Это и есть градиент возрастов, ибо максимальные светимости звезд и периоды цефеид зависят от возраста. Какова же скорость вращения спирального узора (волны плотности) в М31? У внешнего края рукава S 4, на расстоянии примерно 2, 5 кпк от его внутреннего края, возраст самых молодых звезд около (2—2, 5)*10^7 лет. За это время звезды, родившиеся, согласно исходному предположению волновой теории, у внутреннего края рукава, успели его пересечь, поскольку их скорость превышает скорость твердотельного вращения спирального узора. Зная ширину рукава (2, 5 кпк) и время, затраченное звездами на его пересечение, можно оценить различие скоростей вращения спирального узора и звезд. Поскольку скорости звезд известны из наблюдений, можно теперь найти и угловую скорость вращения спирального узора в М31. Она составляет 10 км/с на 1 кпк. Эта величина может быть ошибочна на 50%, и все же она, пожалуй, самая надежная из существующих ныне оценок скорости вращения спирального узора в других галактиках. При этом ее значении радиус коротации в М31, на котором нет движения звезд относительно спирального рукава и не должно быть градиента возрастов, равен около 20 кпк. Примерно на таком расстоянии от центра галактики находится спиральный рукав S 6. В нем ярчайшие звезды занимают полосу шириной 100—200 пк, но находится она не у внутреннего края рукава, как в S 4, а посередине его, распределение звезд в поперечном сечении рукава S 6 симметрично. Градиента возрастов звезд в рукаве S 6 действительно нет. Вероятно, этот рукав существует лишь потому, что области звездообразования растягиваются дифференциальным вращением. 

Спиральные рукава в м 31 и в галактике. 

Итак, ситуация в центральной и юго-восточной части рукава S 4 в галактике М 31 полностью объясняется волновой теорией и современными представлениями о происхождении массивных звезд. В северной части рукава S 4 положение более сложное. Здесь находится гигантский комплекс звезд высокой светимости NGC 206, который уступает по яркости лишь центральной части М 31 и ее эллиптическим спутникам М 32 и NGC 205. Почему именно в этой области образовались самые массивные звезды? Плотность газа перед внутренним краем рукава близ NGC 206 гораздо меньше, - зоны Н II разбросаны беспорядочно, а не сконцентрированы около внутреннего края. Севернее NGC 206 рукав S 4 на значительном протяжении теряется вообще; точнее, локализации газа, звезд высокой светимости и пылевых прожилок становятся мало связанными Друг с другом. Именно эту область подразумевал Бааде, говоря, что спиральный рукав иногда ведет себя подобно хамелеону, превращаясь из пылевого в звездный и наоборот. 

Особенности гигантского звездного комплекса NGC 206, расщепление близ него рукава S 4 и появление тянущихся к соседним рукавам перемычек не нашли еще полного объяснения. Возможно, все это связано с воздействием на спиральную структуру М 31 ее близкого спутника — эллиптической галактики М 32. Можно также предположить, что дело просто в большой массе этого комплекса, позволяющей ему почти не зависеть от условий в спиральном рукаве и даже, наоборот, влиять на них. Однако вполне понятно, почему к югу от NGC 206 спиральный рукав S 4 показывает столь ярко выраженный градиент возрастов. Скорость встречи рукава и набегающего на него газа тем больше, чем больше угол закручивания рукава ' и чем дальше рукав от радиуса коротации. В центральной части S 4 угол закручивания едва ли не максимальный в М 31 (около 25°, тогда как в среднем в М 31 около 10°), поэтому скорость набегания газа на него очень велика. На границе рукава возникает ударная волна, и плотность газа повышается в 10—30 раз, что весьма благоприятно для звездообразования, в первую очередь—образования массивных звезд, которых у внутреннего края S 4 особенно много. Резко выраженная волна плотности управляет звездообразованием в рукаве S 4, и вне этого рукава массивных звезд, в том числе цефеид, почти нет. 

Рукав S4 находится в среднем на таком же расстоянии от центра М31, как Солнце от центра Галактики (около 9 кпк), но между распределением цефеид в этих двух областях огромная разница. В окрестностях Солнца, в круге радиусом в 3—4 кпк, нет таких обширных, свободных от цефеид пространств, какие наблюдаются по обе стороны рукава S 4, Наиболее вероятным объяснением представляется близость Солнца к радиусу коротации Галактики, в силу чего звездообразование в наших окрестностях мало зависит от слабой здесь волны плотности. Лишь наиболее молодые звезды и скопления обрисовывают вокруг Солнца отрезки спиральных рукавов. Цефеиды же, по-видимому, концентрируются только в отрезке рукава Киль — Стрелец, находящемся ближе к центру Галактики (и дальше от радиуса коротации). Тогда значение радиуса коротации в Галактике—10—12 кпк. Эта величина радиуса коротации согласуется с моделью спиральных волн плотности, возбуждаемых небольшим отклонением от осевой симметрии в распределении массы близ центра Галактики. При радиусе коротации 10—12 кпк угловая скорость вращений спирального узора составляет 20—24 км/с на 1 кпк. Эта модель подтверждается исследованием кинематики цефеид, проведенными Ю. Н. Мишуровым, Е. Д. Павловской и А. А. Сучковым. И, как считает Л. С. Марочник, видимо, не случайно жизнь возникла именно на Земле, возле Солнца, которое находится близ радиуса коротации. Здесь промежуток времени между последовательными попаданиями звезды в волну плотности очень велик (на самом радиусе — бесконечно велик), а встреча с волной плотности, наверняка, оказалась бы губительной для всего живого — хотя бы из-за частых взрывов сверхновых в областях звездообразования. А чтобы на планете появились астрономы, необходимы миллиарды лет спокойного развития жизни на ней...