Спиральные галактики. Космос, Вселенная. Галактики Вселенной
В 1845 году английским астрономом лордом Россом был обнаружен целый класс туманностей спирального типа. Их природу установили только в начале двадцатого века. Учеными было доказано, что данные туманности являются огромными звездными системами, похожими на нашу Галактику, однако они удалены от нее на многие миллионы световых лет.
Общая информация
Спиральные галактики (фото, приведенные в этой статье, демонстрируют особенности их структуры) своим внешним видом напоминают пару сложенных вместе тарелок или двояковыпуклую линзу. В них можно обнаружить как массивный звездный диск, так и гало. Центральную часть, которая визуально напоминает вздутие, принято называть балджем. А темную полосу (непрозрачную прослойку межзвездной среды), идущую вдоль диска, называют межзвездной пылью.
Спиральные галактики принято обозначать литерой S. Кроме того, их принято делить по степени структуры. Для этого к основному символу добавляют литеры a, b или c. Так, Sa соответствует галактике с малоразвитой спиральной структурой, однако с большим ядром. Третий класс - Sc - относится к противоположным объектам, со слабым ядром и мощными спиральными ветвями. У некоторых звездных систем в центральной части может находиться перемычка, которую принято называть баром. В таком случае к обозначению добавляется символ В. Наша Галактика относится к промежуточному типу, без перемычки.
Каким образом сформировались спиральные дисковые структуры?
Плоские дискообразные формы объясняют вращением звездных скоплений. Существует гипотеза, что в процессе образования галактики центробежная сила препятствует сжатию так называемого протогалактического облака в перпендикулярном направлении к оси вращения. Также следует знать, что характер движения газов и звезд внутри туманностей неодинаков: диффузные скопления вращаются быстрее, чем старые звезды. Например, если характерная скорость вращения газа составляет 150-500 км/с, то звезда гало будет всегда двигаться медленнее. А балджи, состоящие из таких объектов, будут иметь скорость в три раза ниже, чем диски.
Звездный газ
Миллиарды звездных систем, двигающихся по своим орбитам внутри галактик, можно рассматривать в качестве совокупности частиц, которые образуют своего рода звездный газ. И что самое интересное, его свойства очень близки к обычному газу. К нему можно применять такие понятия, как "концентрация частиц", "плотность", "давление", "температура". Аналогом последнего параметра здесь является усредненная энергия "хаотичного" движения звезд. Во вращающихся дисках, образуемых звездным газом, могут распространяться волны спирального типа плотности разрежения-сжатия, близкие к звуковым. Они способны обегать галактику с постоянной угловой скоростью в течение нескольких сотен миллионов лет. Именно они отвечают за образование спиральных ветвей. В тот момент, когда происходит сжатие газа, начинается процесс формирования холодных облаков, что приводит к активному звездообразованию.
Это интересно
В гало и в эллиптических системах газ является динамическим, то есть горячим. Соответственно движение звезд в галактике такого типа имеет хаотический характер. В результате среднее различие между их скоростями у пространственно близких объектов составляет несколько сотен километров в секунду (дисперсия скоростей). Для звездных газов дисперсия скорости обычно составляет 10-50 км/с, соответственно их "градус" является заметно холодным. Считается, что причина этого различия кроется в тех далеких временах (более десяти миллиардов лет назад), когда галактики Вселенной только начинали формироваться. Первыми из них образовались сферические компоненты.
Спиральными волнами называют волны плотности, которые бегут по вращающемуся диску. В результате все звезды галактики такого типа то как бы вытесняются внутрь их ветвей, то выходят оттуда. Единственное место, где скорость спиральных рукавов и звезд совпадает, – это так называемая коротационная окружность. Между прочим, именно в таком месте находится Солнце. Для нашей планеты данное обстоятельство весьма благоприятно: Земля существует в относительно тихом месте галактики, в результате в течение многих миллиардов лет она не испытывает особого влияния катаклизмов галактического масштаба.
Особенности спиральных галактик
В отличие от эллиптических образований, каждая спиральная галактика (примеры можно посмотреть на фото, представленных в статье) имеет свой неповторимый колорит. Если первый тип ассоциируется со спокойствием, стационарностью, стабильностью, то второй тип – это динамика, вихри, вращения. Может быть, именно поэтому астрономы говорят, что космос (Вселенная) "неистовый". Строение галактики спирального типа включает в себя центральное ядро, из которого выходят красивые рукава (ветви). Они за пределами своего звездного скопления постепенно теряют очертания. Такой внешний вид не может не ассоциироваться с мощным, стремительным движением. Спиральные галактики характеризуются многообразием форм, а также рисунков их ветвей.
Каким образом классифицируют галактики
Несмотря на такое многообразие, ученые смогли классифицировать все известные спиральные галактики. В качестве основного параметра решили использовать степень развития рукавов и размер их ядра, а уровень сжатости за ненадобностью отошел на второй план.
Sa
Эдвин П. Хаббл отвел к классу Sa те спиральные галактики, которые обладают слаборазвитыми ветвями. Такие скопления всегда имеют ядра большого размера. Зачастую центр галактики данного класса составляет половину размера всего скопления. Эти объекты характеризуются наименьшей выразительностью. Их можно даже сравнить с эллиптическими звездными скоплениями. Чаще всего спиральные галактики Вселенной имеют два рукава. Расположены они на противоположных краях ядра. Раскручиваются ветви симметричным, сходным образом. По мере удаления от центра яркость ветвей снижается, а на определенном расстоянии они и вовсе престают быть видимыми, теряются в периферийных областях скопления. Однако встречаются объекты, у которых не два, а большее количество рукавов. Правда, такое строение галактики довольно редкое. Еще реже можно встретить несимметричные туманности, когда одна ветвь развита сильнее, чем другая.
Sb и Sc
Подкласс Sb по классификации Эдвина П. Хаббла имеет заметно более развитые рукава, однако у них нет богатых разветвлений. Ядра заметно меньше, чем у первого вида. К третьему подклассу (Sc) спиральных звездных скоплений относятся объекты с сильно развитыми ветвями, а вот центр у них относительно малый.
Возможно ли перерождение?
Ученые установили, что структура спирали является результатом неустойчивого движения звезд, возникающего вследствие сильного сжатия. Кроме того, необходимо отметить, что в рукавах сосредотачиваются, как правило, горячие гиганты и там же скапливаются главные массы диффузной материи – межзвездной пыли и межзвездного газа. Это явление можно рассмотреть и с другой стороны. Не вызывает никакого сомнения, что весьма сжатое звездное скопление в процессе своей эволюции уже не сможет потерять свою степень сжатости. Значит, и противоположный переход тоже невозможен. В результате делаем вывод, что эллиптические галактики не смогут превратиться в спиральную, и наоборот, ведь так устроен космос (Вселенная). Другими словами, звездные скопления этих двух типов представляют собой не две различные стадии единого эволюционного развития, а совершенно различные системы. Каждый такой тип является примером противоположных эволюционных путей, обусловленных разным коэффициентом сжатия. А эта характеристика, в свою очередь, зависит от разности вращения галактик. Например, если в ходе своего формирования звездная система получает достаточное количество вращения, то она сможет принять сжатую форму, и у нее разовьются спиральные рукава. Если степень вращения будет недостаточной, то галактика окажется менее сжатой, и ветви у нее не образуются – это будет классическая эллиптическая форма.
В чем еще заключаются различия
Между эллиптическими и спиральными звездными системами существуют и другие отличия. Так, первый тип галактики, имеющий низкий уровень сжатия, характеризуется малым количеством (или полным отсутствием) диффузной материи. В то же время спиральные скопления, имеющие высокий уровень сжатия, содержат в себе и газовые, и пылевые частицы. Данное различие ученые объясняют следующим образом. Пылинки и частицы газа при своем движении периодически сталкиваются. Этот процесс является неупругим. После столкновения частицы теряют часть своей энергии, и как следствие, постепенно оседают в тех местах звездной системы, где имеется наименьшая потенциальная энергия.
Сильно сжатые системы
Если описанный выше процесс происходит в сильно сжатой звездной системе, то диффузная материя должна осесть на основную плоскость галактики, ведь именно здесь уровень потенциальной энергии является наименьшим. Сюда же и собираются газовые и пылевые частицы. Далее диффузная материя начинает свое движение в основной плоскости звездного скопления. Перемещаются частицы практически параллельно по круговым орбитам. В результате столкновения здесь довольно редки. Если же они и происходят, то энергетические потери при этом незначительны. Из этого следует, что материя далее к центру галактики не перемещается, где потенциальная энергия имеет еще меньший уровень.
Слабо сжатые системы
Теперь рассмотрим, как ведет себя эллипсоидная галактика. Звездная система такого типа отличается совершенно иным развитием данного процесса. Здесь главная плоскость вовсе не является ярко выраженной областью с малым уровнем потенциальной энергии. Сильное снижение этого параметра происходит только в центральном направлении звездного скопления. А это значит, что межзвездные пыль и газ будут притягиваться в центр галактики. Как следствие, плотность диффузной материи здесь будет очень высока, гораздо больше, чем при плоском рассеивании в спиральной системе. Собравшиеся в центре скопления частицы пыли и газа под действием силы притяжения начнут сжиматься, тем самым сформируется малая по размерам зона плотного вещества. Ученые предполагают, что из данной материи в дальнейшем начинают формироваться новые звезды. Важным здесь является иное – малое по своим размерам облако газа и пыли, находящееся в ядре слабо сжатой галактики, не позволяет себя обнаружить в процессе наблюдения.
Промежуточные стадии
Мы рассмотрели два основных типа звездных скоплений – со слабым и с сильным уровнем сжатия. Однако существуют и промежуточные стадии, когда сжатие системы находится между этими параметрами. У таких галактик эта характеристика является недостаточно сильной для того, чтобы диффузная материя собралась вдоль всей основной плоскости скопления. И в то же время она недостаточно слабая и для того, чтобы частицы газа и пыли сконцентрировались в районе ядра. В таких галактиках диффузная материя собирается в небольшую плоскость, которая собирается вокруг ядра звездного скопления.
Галактики с перемычками
Известен еще один подтип спиральных галактик – это звездное скопление с перемычкой. Его особенность состоит в следующем. Если у обычной спиральной системы рукава выходят непосредственно из дискообразного ядра, то у данного типа центр располагается в середине прямой перемычки. А ветви такого скопления начинаются из концов данного отрезка. Еще их принято называть галактиками пересеченных спиралей. Между прочим, физическая природа данной перемычки до сих пор остается неизвестной.
Кроме того, ученым удалось обнаружить еще один вид звездных скоплений. Они характеризуются ядром, как и у спиральных галактик, однако рукавов у них нет. Наличие ядра говорит о сильном сжатии, но все остальные параметры напоминают эллипсоидные системы. Такие скопления получили название чечевицеобразных. Ученые предполагают, что эти туманности образуются в результате потери спиральной галактикой своей диффузной материи.