Спиральная галактика - Spiral galaxy

Пример спиральной галактики, Галактика Вертушка (также известная как Мессье 101 или NGC 5457).

Спиральные галактики образуют класс галактик, первоначально описанный Эдвином Хабблом в его работе 1936 года «Царство туманностей», 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 ореолом звезд, многие из которых находятся в шаровых скоплениях .

Спиральные галактики названы по их спиральным структурам, которые простираются от центра к галактическому диску. Спиральные рукава - это места продолжающегося звездообразования, и они ярче, чем окружающий диск, из-за молодых горячих OB-звезд, которые их населяют.

Примерно две трети всех спиралей имеют дополнительный компонент в виде стержневой структуры, идущей от центральной выпуклости, на концах которой начинаются спиральные рукава. Доля спиралей с перемычкой и спиралей без перемычек , вероятно, изменилась за всю историю Вселенной , около 8 миллиардов лет назад только около 10% содержали перемычки , примерно до четверти 2,5 миллиарда лет назад, до настоящего времени, где более двух третей у галактик в видимой Вселенной ( объем Хаббла ) есть полосы.

Млечный Путь является перемычкой спирали, хотя сам бар трудно наблюдать из текущей позиции Земли в галактическом диске. Наиболее убедительные доказательства того, что звезды образуют полосу в центре Галактики, получены из нескольких недавних обзоров, включая космический телескоп Спитцера .

Вместе с неправильными галактиками спиральные галактики составляют примерно 60% галактик в современной Вселенной. Они в основном встречаются в областях с низкой плотностью и редко встречаются в центрах скоплений галактик.

Состав

Спиральные галактики могут состоять из нескольких отдельных компонентов:

Относительная важность с точки зрения массы, яркости и размера различных компонентов варьируется от галактики к галактике.

Спиральные рукава

Спиральные рукава являются областями звезд , которые простираются от центра спиральных и решетчатыми спиральных галактик . Эти длинные и тонкие области напоминают спираль и поэтому дали название спиральным галактикам. Естественно, спиральные галактики разных классификаций имеют различную структуру рукавов. Галактики Sc и SBc, например, имеют очень «свободные» рукава, тогда как галактики Sa ​​и SBa имеют плотно закрытые 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.

Выпуклость

Спиральная галактика NGC 1589

Выпуклость является большой, плотно упакован группой звезд . Этот термин относится к центральной группе звезд, встречающейся в большинстве спиральных галактик, часто определяемой как избыток звездного света над внутренней экстраполяцией внешнего (экспоненциального) света диска.

Согласно классификации Хаббла, балдж Sa-галактик обычно состоит из звезд населения II , которые представляют собой старые красные звезды с низким содержанием металлов. Кроме того, балдж галактик Sa и SBa имеет тенденцию быть большим. В отличие от выпуклости Sc и SBc галактик намного меньше и состоят из молодых голубых звезд населения I . Некоторые балджи имеют свойства, аналогичные свойствам эллиптических галактик (уменьшенные до меньшей массы и светимости); другие просто выглядят как центры дисков с более высокой плотностью, со свойствами, подобными дисковым галактикам.

Считается, что в центре многих выпуклостей находится сверхмассивная черная дыра . Например, в нашей галактике объект под названием Стрелец A * считается 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 .

Бар

Спиральная галактика NGC 2008

Удлинение звезд в виде стержней наблюдается примерно в двух третях всех спиральных галактик. Их присутствие может быть как сильным, так и слабым. В спиральных (и линзовидных) галактиках, видимых с ребра, наличие перемычки иногда можно определить по неплоскостным X-образным структурам или структурам (арахисовой скорлупы), которые обычно имеют максимальную видимость на половине длины галактики. планка в плоскости.

Сфероид

Спиральная галактика NGC 1345

Основная часть звезд в спиральной галактике расположена либо близко к одной плоскости ( галактическая плоскость ) на более или менее обычных круговых орбитах вокруг центра галактики ( Галактический центр ), либо в сфероидальной галактической выпуклости вокруг галактического центра. основной.

Однако некоторые звезды населяют сфероидальный гало или галактический сфероид , тип галактического гало . Орбитальное поведение этих звезд спорно, но они могут иметь ретроградные и / или сильно наклоненные орбиты или вообще не двигаться по обычным 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 был приобретен с него.

NGC 428 - спиральная галактика с перемычкой, расположенная примерно в 48 миллионах световых лет от Земли в созвездии Кита .

В отличие от галактического диска, гало кажется свободным от пыли , и, напротив, звезды в галактическом гало относятся к популяции II , намного старше и с гораздо меньшей металличностью, чем их кузены из населения I в галактическом диске (но похожие на те, что в галактическом балджу). Галактическое гало также содержит множество шаровых скоплений .

Движение звезд-гало действительно иногда переносит их через диск, и считается , что несколько маленьких красных карликов, близких к Солнцу , принадлежат к галактическому гало, например, «Звезда Каптейна» и « Грумбридж 1830» . Из-за своего нерегулярного движения вокруг центра галактики эти звезды часто демонстрируют необычно высокое собственное движение .

Самая старая спиральная галактика

Самая старая спиральная галактика в файле - BX442 . Ему одиннадцать миллиардов лет, что более чем на два миллиарда лет старше любого предыдущего открытия. Исследователи считают, что форма галактики вызвана гравитационным влиянием карликовой галактики- компаньона . Компьютерные модели, основанные на этом предположении, показывают, что спиральная структура BX442 прослужит около 100 миллионов лет.

Связанный

В июне 2019 года гражданские ученые через Galaxy Zoo сообщили, что обычная классификация Хаббла , особенно в отношении спиральных галактик , может не поддерживаться и может нуждаться в обновлении.

Происхождение спиральной структуры

Спиральная галактика NGC 6384, сделанная космическим телескопом Хаббла .
Спиральная галактика NGC 1084 , дом пяти сверхновых .

Пионером в изучении вращения Галактики и образования спиральных рукавов был Бертил Линдблад в 1925 году. Он понял, что идея звезд, постоянно расположенных в форме спирали, несостоятельна. Поскольку угловая скорость вращения галактического диска изменяется с расстоянием от центра галактики (с помощью стандартной гравитационной модели солнечной системы), радиальное плечо (например, спица) быстро станет искривленным по мере вращения галактики. После нескольких галактических оборотов рука стала бы все более изогнутой и обвивалась бы вокруг галактики все сильнее. Это называется проблемой намотки . Измерения в конце 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 же не может объяснить стабильность спиральной структуры.

С 1970-х годов существуют две основные гипотезы или модели спиральных структур галактик:

  • звездообразование, вызванное волнами плотности в галактическом диске галактики.
  • стохастическая модель самораспространяющегося звездообразования (модель SSPSF ) - звездообразование, вызванное ударными волнами в межзвездной среде . Ударные волны вызваны звездными ветрами и сверхновыми звездами от недавнего предыдущего звездообразования, что приводит к самораспространяющимся и самоподдерживающимся звездообразованиям. Спиральная структура возникает в результате дифференциального вращения диска галактики.

Эти разные гипотезы не исключают друг друга, так как они могут объяснять разные типы спиральных рукавов.

Модель волны плотности

Анимация орбит, предсказанная теорией волн плотности, которая объясняет существование стабильных спиральных рукавов. Звезды перемещаются в спиральные рукава и выходят из них, когда они вращаются вокруг галактики.

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 образует новые звезды, некоторые из которых являются недолговечными голубыми звездами, которые освещают руки.

Историческая теория Линя и Шу

Увеличенная диаграмма, иллюстрирующая объяснение Линь и Шу спиральных рукавов в терминах слегка эллиптических орбит.

Первую приемлемую теорию спиральной структуры разработали Линь и Франк Шу в 1964 году, пытаясь объяснить крупномасштабную структуру спиралей в терминах волны малой амплитуды, распространяющейся с фиксированной угловой скоростью, которая вращается вокруг галактики с определенной угловой скоростью. скорость отличается от скорости газа и звезд галактики. Они предположили, что спиральные рукава были проявлением спиральных волн плотности - они предположили, что звезды движутся по слегка эллиптическим орбитам, и что ориентации их орбит коррелированы, то есть эллипсы меняются по своей ориентации (друг к другу) плавно с увеличивающееся расстояние от галактического центра. Это показано на диаграмме справа. Ясно, что эллиптические орбиты сближаются в определенных областях, создавая эффект рук. Поэтому звезды не остаются навсегда в том положении, в котором мы их сейчас видим, а проходят через рукава, путешествуя по своим орбитам.

Звездообразование, вызванное волнами плотности

Существуют следующие гипотезы о звездообразовании, вызванном волнами плотности:

  • Когда газовые облака переходят в волну плотности, локальная массовая плотность увеличивается. Поскольку критерий коллапса облаков ( джинсовая нестабильность ) зависит от плотности, более высокая плотность увеличивает вероятность коллапса облаков и образования звезд.
  • Когда волна сжатия проходит, она запускает звездообразование на переднем крае спиральных рукавов.
  • Когда облака захватываются спиральными рукавами, они сталкиваются друг с другом и прогоняют через газ ударные волны , которые, в свою очередь, заставляют газ коллапсировать и образовывать звезды.
Яркая галактика NGC 3810 демонстрирует классическую спиральную структуру на этом очень подробном изображении, полученном телескопом Хаббла. Предоставлено: ЕКА / Хаббл и НАСА.

Больше молодых звезд в спиральных рукавах

Спиральные рукава кажутся визуально ярче, потому что они содержат как молодые звезды, так и более массивные и светящиеся звезды, чем остальная часть галактики. Поскольку массивные звезды эволюционируют намного быстрее, их гибель имеет тенденцию оставлять более темный фон из более тусклых звезд сразу за волнами плотности. Это делает волны плотности более заметными.

Кажется, что спиральные рукава проходят через старые известные звезды, когда они путешествуют по своим галактическим орбитам, поэтому они также не обязательно следуют за рукавами. Когда звезды движутся через плечо, пространственная скорость каждой звездной системы изменяется под действием гравитационной силы локальной более высокой плотности. Кроме того, вновь созданные звезды не остаются навсегда зафиксированными в положении внутри спиральных рукавов, где средняя космическая скорость возвращается к норме после того, как звезды уходят с другой стороны рукава.

Гравитационно выровненные орбиты

Чарльз Фрэнсис и Эрик Андерсон показали из наблюдений за движением более 20 000 местных звезд (в пределах 300 парсеков), 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 грандиозных бисимметричных спиралей.

Распределение звезд по спиралям

Подобное распределение звезд по спиралям

Звезды в спиралях распределены в радиальных тонких дисках с такими профилями интенсивности, что

с масштабом диска; центральное значение; полезно определить: как размер звездного диска, светимость которого равна

.

Световые профили спиральных галактик по координате не зависят от светимости галактик.

Спиральная туманность

До того, как стало понятно, что спиральные галактики существуют за пределами нашей галактики Млечный Путь, их часто называли спиральными туманностями . Вопрос о том, являются ли такие объекты отдельными галактиками, независимыми от Млечного Пути, или типом туманности, существующей в нашей собственной галактике, был предметом Великой дискуссии в 1920 году между Хибером Кертисом из обсерватории Лик и Харлоу Шепли из обсерватории Маунт Вильсон. . Начиная с 1923 года Эдвин Хаббл наблюдал цефеидные переменные в нескольких спиральных туманностях, включая так называемую «туманность Андромеды» , доказав, что они, по сути, представляют собой целые галактики за пределами нашей собственной. Термин спиральная туманность с тех пор вышел из употребления.

Млечный Путь

Когда-то Млечный Путь считался обычной спиральной галактикой. Астрономы впервые начали подозревать, что Млечный Путь представляет собой спиральную галактику с перемычкой в ​​1960-х годах. Их подозрения были подтверждены наблюдениями космического телескопа Спитцера в 2005 году, которые показали, что центральная полоса Млечного Пути больше, чем предполагалось ранее.


Известные примеры

Галерея

Смотрите также

Классификация

Другой

использованная литература

внешние ссылки