Спиральная галактика

Эта статья о классе галактик. Чтобы узнать о типе логической головоломки, см. Спиральные галактики (головоломка) .

Пример спиральной галактики Мессье 77 (также известной как NGC 1068).

Спиральные галактики образуют класс галактик, первоначально описанный Эдвином Хабблом в его работе 1936 года «Царство туманностей». и, как таковые, составляют часть 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 молодых горячих OB-звезд населяющих их .

Примерно две трети всех спиралей имеют дополнительный компонент в виде стержнеобразной структуры. отходящие от центрального выступа, на концах которого начинаются спиральные рукава. Пропорция спиралей с перемычкой по сравнению с спиралями без перемычек , вероятно, изменилась за историю Вселенной : примерно 10% содержало 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.

Млечный Путь представляет собой спираль с перемычкой, хотя саму перемычку трудно наблюдать с текущего положения Земли внутри галактического диска. Наиболее убедительные доказательства того, что звезды образуют перемычку в Галактическом центре, получены в нескольких недавних исследованиях, в том числе на космическом телескопе Спитцер .

Вместе с неправильными галактиками спиральные галактики составляют примерно 60% галактик сегодняшней Вселенной. Чаще всего они встречаются в регионах с низкой плотностью и редко встречаются в центрах скоплений галактик.

Структура

Диаграмма последовательности Хаббла в виде камертона

Спиральные галактики могут состоять из нескольких отдельных компонентов:

• Плоский вращающийся диск из звезд и межзвездного вещества , важными компонентами которого являются спиральные рукава.
• Центральная звездная выпуклость , состоящая в основном из более старых звезд, напоминающая эллиптическую галактику.
• Распределение звезд в форме столбика
• Почти сферическое гало звезд, многие из которых находятся в шаровых скоплениях.
• Сверхмассивная черная дыра в самой середине центрального балджа
• почти сферической формы темной материи Гало

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

Спиральные рукава

Основная статья: Спиральный рукав

Спиральная галактика с перемычкой UGC 12158

Спиральные рукава — это области звезд, которые простираются от центра с перемычкой и без перемычки спиральных галактик . 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.

Выпуклость

Основная статья: Галактическая выпуклость

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.

NGC 1300 в инфракрасном свете

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. 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 свойствами, подобными дисковым галактикам.

Считается, что многих выпуклостей находится сверхмассивная черная дыра в центре . 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 таких галактиках, как Мессье 106 .

Бар

Спиральная галактика NGC 2008

Барообразные удлинения звезд наблюдаются 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 различить по внеплоскостным X-образным структурам или структурам в форме (скорлупы арахиса). которые обычно имеют максимальную видимость на половине длины планки, лежащей в плоскости.

Сфероид

19 спиральных галактик, обращенных лицом друг к другу, полученные космическим телескопом Джеймса Уэбба в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне. Старые звезды здесь кажутся голубыми и скоплены в ядрах галактик. Светящаяся пыль, показывающая, где она находится вокруг звезд и между звездами, окрашенная в оттенки красного и оранжевого. Звезды, которые еще не полностью сформировались и окружены газом и пылью, кажутся ярко-красными.

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 принадлежат 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 .

Самые старые спиральные галактики

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.

A1689B11 — чрезвычайно старая спиральная галактика, расположенная в скоплении галактик Abell 1689 в созвездии Девы. A1689B11 находится на расстоянии 11 миллиардов световых лет от Земли и образовалась через 2,6 миллиарда лет после Большого взрыва.

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.

Связанный

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.

Происхождение спиральной структуры

Спиральная галактика NGC 6384, снятая космическим телескопом Хаббла

Спиральная галактика NGC 1084 , дом пяти сверхновых.

История

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:

• 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 в результате недавнего предыдущего звездообразования, что приводит к самораспространяющемуся и самоподдерживающемуся звездообразованию. Спиральная структура возникает в результате дифференциального вращения диска галактики.

Эти разные гипотезы не являются взаимоисключающими, поскольку могут объяснять разные типы спиральных рукавов.

Модель волны плотности

Основная статья: Теория волн плотности

Duration: 21 seconds.0:21

Анимация орбит, предсказанная теорией волн плотности, объясняющая существование стабильных спиральных рукавов. Звезды входят и выходят из спиральных рукавов, вращаясь вокруг галактики.

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.

Историческая теория Линь и Шу

Преувеличенная диаграмма, иллюстрирующая объяснение Линь и Шу спиральных рукавов с точки зрения слегка эллиптических орбит.

Первая приемлемая теория спиральной структуры была разработана К.С. Линем и Фрэнком Шу в 1964 году. пытаясь объяснить крупномасштабную структуру спиралей с помощью волны малой амплитуды, распространяющейся с фиксированной угловой скоростью и вращающейся вокруг галактики со скоростью, отличной от скорости галактического газа и звезд. 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. 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.

Звездообразование, вызванное волнами плотности

Существуют следующие гипотезы звездообразования, вызванного волнами плотности:

• По мере того как газовые облака перемещаются в волну плотности, локальная массовая плотность увеличивается. Поскольку критерии коллапса облаков ( неустойчивость Джинса ) зависят от плотности, более высокая плотность повышает вероятность коллапса облаков и образования звезд.
• Когда волна сжатия проходит, она запускает звездообразование на переднем крае спиральных рукавов.
• Когда облака подхватываются спиральными рукавами, они сталкиваются друг с другом и вызывают ударные волны через газ, что, в свою очередь, заставляет газ сжиматься и образовывать звезды.

Еще больше молодых звезд в спиральных рукавах

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, их гибель имеет тенденцию оставлять более темный фон из более тусклых звезд сразу за волнами плотности. Это делает волны плотности гораздо более заметными.

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. Когда звезды движутся через рукав, пространственная 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.

Гравитационно выровненные орбиты

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.

Распределение звезд по спиралям

Подобное распределение звезд по спиралям

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

$I(R)=I_{0}e^{-R/h}$

с $h$ — масштаб диска; $I_{0}$ является центральной ценностью; полезно определить: $R_{opt}=3.2h$ как размер звездного диска, светимость которого равна

$L_{tot}=2\pi I_{0}h^{2}$.

Профили света спиральных галактик по координате $R/h$, не зависят от светимости галактики.

Спиральная туманность

Рисунок галактики Водоворот , сделанный Россом в 1845 году.

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.

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 наблюдал переменные цефеид в нескольких спиральных туманностях, включая так называемую «Туманность Андромеды» , доказывая, что они на самом деле представляют собой целые галактики за пределами нашей собственной. Термин спиральная туманность с тех пор вышел из употребления.

Млечный Путь

Спиральные рукава и ядро ​​с перемычкой Галактики Млечный Путь – по WISE данным

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. Их подозрения были подтверждены наблюдениями космического телескопа Спитцер в 2005 году. которое показало, что центральная полоса Млечного Пути больше, чем предполагалось ранее.

Известные примеры

Дополнительная информация: Список спиральных галактик.

• Галактика Андромеды - спиральная галактика с перемычкой в ​​Местной группе.
• Млечный Путь – галактика, содержащая Солнечную систему.
• Галактика Вертушка - Галактика в созвездии Большой Медведицы.
• Галактика Подсолнух – Спиральная галактика в созвездии Псов. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Галактика Треугольника - Спиральная галактика в созвездии Треугольника.
• Галактика Водоворот – Галактика в созвездии Гончих Псов.
• Галактика Черный Глаз — Спиральная галактика в созвездии Комы Вероники.
• Малин 1 — Спиральная галактика в созвездии Комы Вероники.

См. также

Классификация

• Дисковая галактика - тип галактической формы.
• Карликовая эллиптическая галактика - Эллиптическая галактика меньше обычных.
• Карликовая сфероидальная галактика - галактика низкой светимости со старыми звездами и небольшим количеством пыли.
• Флоккулентная спиральная галактика - Пятнистая галактика с прерывистыми спиральными рукавами.
• Диаграмма цвета и величины галактики - диаграмма, показывающая взаимосвязь между яркостью и массой крупных звездных систем.
• Спиральная галактика грандиозного дизайна - тип спиральной галактики с выступающими и четко выраженными спиральными рукавами.
• Промежуточная спиральная галактика - тип галактики, промежуточный между спиральной галактикой и спиральной галактикой с перемычкой.
• Чечевицеобразная галактика - класс галактик между эллиптической галактикой и спиральной галактикой.
• Кольцевая галактика - Галактика кольцеобразной формы.
• Галактика звездообразования - галактика, в которой наблюдается исключительно высокая скорость звездообразования.
• Сейфертовская галактика - класс активных галактик с очень яркими ядрами.

Другой

• Галактическая система координат - Небесная система координат в сферических координатах с Солнцем в центре.
• Галактическая корона - горячий ионизированный газообразный компонент галактического гало.
• Формирование и эволюция галактик
• Кривая вращения галактики - наблюдаемое несоответствие галактических угловых моментов.
• Группы и скопления галактик - весь космос, наблюдаемый с Земли в настоящее время.
• Список галактик
• Список ближайших галактик
• Список спиральных галактик
• Звездное гало
• Хронология знаний о галактиках, скоплениях галактик и крупномасштабной структуре
• Соотношение Талли – Фишера - Тенденции в астрономии

Внешние ссылки

• Джудиче, Г.Ф.; Моллерах, С.; Руле, Э. (1994). «Может ли ЭРОС/МАЧО обнаружить галактический сфероид вместо галактического гало?». Физический обзор D . 50 (4): 2406–2413. arXiv : astro-ph/9312047 . Бибкод : 1994PhRvD..50.2406G . дои : 10.1103/PhysRevD.50.2406 . ПМИД   10017873 . S2CID   14500715 .
• Стивенс, Тим (6 марта 2007 г.). «Обзор AEGIS раскрывает новый принцип формирования и эволюции галактик» . Калифорнийский университет в Санта-Крус. Архивировано из оригинала 11 марта 2007 года . Проверено 24 мая 2006 г.
• Спиральные галактики на страницах Мессье SEDS
• SpiralZoom.com — образовательный веб-сайт о спиральных галактиках и других спиральных образованиях, встречающихся в природе. Для средней школы и широкой аудитории.
• Объяснение спиральной структуры
• GLIMPSE: выдающееся инфракрасное исследование средней плоскости Галактического наследия
• Меррифилд, М. Р. «Спиральные галактики и скорость узора» . Шестьдесят символов . Брэди Харан из Ноттингемского университета .