Астрофизики СПбГУ показали наличие разных механизмов формирования спиралей в галактиках

Многие из известных науке звездных систем — галактик по мере удаления от центра заметно закручиваются по часовой стрелке или против нее, из‑за чего их форма внешне часто напоминает спираль. У большинства таких объектов есть два четких симметричных спиральных рукава, расходящихся от ядра, но встречаются и системы с большим количеством ответвлений.

Согласно современным данным, более 70% всех наблюдаемых галактик дискового типа имеют спиралевидную форму, как и Млечный Путь, в одном из спиральных рукавов которого — Орионе — расположена Солнечная система. Теоретики предлагают разные модели образования этого феномена.

Самая известная из них — теория волн плотности в галактическом диске, которую можно описать, представив автомобильную пробку в час пик. Отдельные машины (в галактике их роль играют звезды) въезжают и выезжают из вереницы автомобилей, образующих пробку. Однако при некоторых условиях она сама «движется» с какой-то скоростью — как волна в галактическом диске — и хорошо заметна из‑за повышенной плотности (как и спирали). Такие теории строятся на основании многочисленных наблюдений в телескопы, самые современные из которых могут даже позволить увидеть подробную структуру спирали.

Альтернативный путь — численное компьютерное моделирование галактики, состоящей из частиц газа и звезд, и ее детальное изучение. Ученые Санкт-Петербургского университета являются одними из мировых лидеров по такому моделированию. Однако даже в самых современных моделях, включающих в расчеты большое количество частиц, нечасто удается получить спиральный узор, который внешне будет похож на наблюдаемый и не разрушится за короткое (по меркам галактики) время.

Изучение спиральных галактик помогает проверить земную физику в космических масштабах, включая гравитацию, темную материю и свойства звезд. В настоящее время природа образования таких спиралей остается в общем непонятной и потому является предметом исследования астрофизиков.

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета вместе с коллегами на основе наблюдательных данных проверили наличие у галактик признаков, которые проявлялись бы у них в соответствии с тем или иным механизмом формирования спирального узора.

«Основная сложность состоит в том, что таких признаков на самом деле мало. Например, сценарий волн плотности предполагает постоянную угловую скорость узора ("твердотельное" вращение), а другой сценарий — ее уменьшение с расстоянием от центра (как в дисках галактик)», — объяснил старший научный сотрудник лаборатории наблюдательной астрофизики СПбГУ Александр Марчук.

Эксперты исследовали, как вращаются спиральные рукава галактик, сосредоточившись при этом на особых зонах, где рукава и диск движутся с одинаковой скоростью, которая называется радиусом коротации. В случае если спиральный узор вращается как единое целое, такая зона будет одна, а если разные части галактики вращаются с разной скоростью, этих зон может быть несколько или не быть вовсе.

Для более детального изучения астрофизики выбрали три галактики — одну с согласующимися измерениями таких зон, другую с «размытыми» данными по всему диску и третью, где возможно несколько радиусов коротации. Чтобы независимо подтвердить свои гипотезы, исследователи применили сразу несколько подходов: наблюдали за движением газа внутри галактики, анализировали расположение звезд разного возраста, а также сравнили снимки в ультрафиолетовом и инфракрасном свете, разработав для этого специальную программу.

«Исследование показало, что спиральные рукава галактик устроены значительно сложнее, чем предполагалось ранее. Наш комплексный анализ, в том числе изучение движения звезд, их состава и свечения в разных диапазонах, подтвердил, что все три галактики имеют разную природу спиральных узоров», — сказал Александр Марчук.

Как отмечают ученые, галактика М 100 с четкими спиральными рукавами не показала признаков «волны плотности» — вопреки общепринятому мнению, что в подобных ей объектах спирали должны вращаться как единое целое. В двух других галактиках (NGC 3686 и NGC 2403) астрофизики впервые достоверно установили наличие одного и двух типов волн плотности. Таким образом, исследование позволило найти достоверные и надежные примеры разных типов спиралей, что позволит лучше понять их природу и разработать новые методы анализа.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Galaxies.

На фото: изученные галактики. Взято из научного журнала Galaxies