Спиральная галактика

Спиральные галактики образуют класс галактик, первоначально описанный Эдвином Хабблом в его работе 1936 года «Царство туманностей» [1], 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 .

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

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 [2], идущей от центральной выпуклости, на концах которой начинаются спиральные рукава. Соотношение спиралей с перемычкой и спиралей без перемычек , вероятно, изменилось 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. [3]

Млечный Путь является перемычкой спирали, хотя сам бар трудно наблюдать из текущей позиции Земли в галактическом диске. [4] Наиболее убедительные доказательства того, что звезды образуют полосу в центре Галактики, получены из нескольких недавних обзоров, включая космический телескоп Спитцера . [5]

Вместе с неправильными галактиками спиральные галактики составляют примерно 60% галактик в современной Вселенной. [6] Они в основном встречаются в областях с низкой плотностью и редко встречаются в центрах скоплений галактик. [7]

Спиральная галактика с перемычкой UGC 12158 .

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

NGC 1300 в инфракрасном свете.

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 [8]

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 [9] 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. [10] [11] Их присутствие может быть сильным или слабым. В спиральных (и линзовидных) галактиках, видимых с ребра, наличие перемычки иногда можно определить по неплоскостным X-образным структурам или структурам (арахисовой скорлупы) [12] [13], которые обычно имеют максимальную видимость. на половине длины планки в плоскости.

Сфероид

Спиральная галактика NGC 1345

Основная часть звезд в спиральной галактике расположена либо близко к одной плоскости ( галактической плоскости ) 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 оспаривается, 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 попадают 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 . [14]

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. [15] [16]

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. [17] [18]

Спиральная галактика NGC 6384, сделанная космическим телескопом Хаббла .
Спиральная галактика NGC 1084 , дом пяти сверхновых . [19]

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. Рукав после нескольких галактических оборотов станет все более изогнутой и обвивается 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

"> Воспроизвести медиа
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. [20]

Историческая теория Линя и Шу

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

Первая приемлемая теория спиральной структуры была разработана CC Lin и Frank Shu в 1964 году [21], которые пытались объяснить крупномасштабную структуру спиралей в терминах волны малой амплитуды, распространяющейся с фиксированной угловой скоростью, которая вращается вокруг галактика со скоростью, отличной 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. [22]

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 гораздо быстрее, [23] их гибель имеет тенденцию оставлять более темный фон из более слабых звезд сразу за волнами плотности. Это делает волны плотности более заметными. [20]

Кажется, что спиральные рукава проходят через старые известные звезды, когда они путешествуют по своим галактическим орбитам, поэтому они также не обязательно следуют за рукавами. [20] Когда звезды движутся по рукаву, 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. [22]

Гравитационно выровненные орбиты

Чарльз Фрэнсис и Эрик Андерсон показали из наблюдений за движением более 20000 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. [24]

Подобное распределение звезд по спиралям

Звезды в спиралях распределены в радиальных тонких дисках с такими профилями интенсивности, что [25] [26] [27]

с участием - масштабная длина диска; центральное значение; полезно определить: как размер звездного диска, светимость которого равна

.

Световые профили спиральных галактик в координатах , не зависят от светимости галактики.

До того, как стало понятно, что спиральные галактики существуют за пределами нашей галактики Млечный Путь, их часто называли спиральными туманностями . Вопрос о том, были ли такие объекты отдельными галактиками, независимыми от Млечного Пути, или типом туманности, существующей в нашей собственной галактике, был предметом Великой дискуссии 1920 года между Хибером Кертисом из обсерватории Лик и Харлоу Шепли из Mt. Обсерватория Вильсона . Начиная с 1923 года, Эдвин Хаббл [28] [29] наблюдал цефеидные переменные в нескольких спиральных туманностях, включая так называемую «туманность Андромеды» , доказав, что они фактически являются целыми галактиками за пределами нашей собственной. Термин спиральная туманность с тех пор вышел из употребления.

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. [30] [31] Их подозрения были подтверждены наблюдениями космического телескопа Спитцер в 2005 году, [32] которые показали, что центральная полоса Млечного Пути больше, чем предполагалось ранее.

Спиральные рукава галактики Млечный Путь - по данным WISE .

  • Галактика Андромеды  - спиральная галактика с перемычкой в ​​Местной группе
  • Млечный Путь  - спиральная галактика с перемычкой, содержащая нашу Солнечную систему.
  • Галактика  Вертушка - Спиральная галактика в созвездии Большой Медведицы.
  • Подсолнечник Галактика
  • Галактика Треугольник  - Спиральная галактика в созвездии Треугольника.
  • Галактика Водоворот  - грандиозная спиральная галактика в созвездии Камышей Венатичи.

Классификация

  • Дисковая галактика  - галактика, характеризующаяся сплющенным круговым объемом звезд, который может включать центральную выпуклость.
  • Карликовая эллиптическая галактика
  • Карликовая сфероидальная галактика  - маленькие галактики с низкой светимостью с очень небольшим количеством пыли и более старым звездным населением.
  • Флокулянтная спиральная галактика  - пятнистая галактика с прерывистыми спиральными рукавами.
  • Диаграмма цвет-звездная величина галактики
  • Спиральная галактика грандиозного дизайна  - Галактика с хорошо выраженными спиральными рукавами.
  • Промежуточная спиральная галактика  - галактика, которая находится между классификациями спиральной галактики с перемычкой и спиральной галактики без перемычки.
  • Линзовидная галактика  - тип галактики, промежуточный между эллиптической и спиральной галактиками.
  • Кольцевая галактика  - галактика в виде круга.
  • Галактика со вспышкой звездообразования  - галактика с исключительно высокой скоростью звездообразования.
  • Галактика Сейферта  - класс активных галактик с очень яркими ядрами.

Другой

  • Галактическая система координат  - небесная система координат в сферических координатах с Солнцем в качестве центра.
  • Галактическая корона  - горячий ионизированный газовый компонент в галактическом гало.
  • Формирование и эволюция галактик  - от однородного начала, образование первых галактик, то, как галактики меняются с течением времени
  • Кривая вращения галактики
  • Группы и скопления галактик  - Вся материя, которую можно наблюдать с Земли в настоящее время.
  • Список галактик
  • Список ближайших галактик
  • Список спиральных галактик
  • Звездный ореол
  • Хронология знаний о галактиках, скоплениях галактик и крупномасштабной структуре
  • Соотношение Талли – Фишера  - тенденции в астрономии

  1. ^ Хаббл, EP (1936). Царство туманностей . Мемориальные лекции г-жи Хепса Эли Силлиман, 25. Нью-Хейвен: издательство Йельского университета . ISBN 9780300025002. OCLC  611263346 . Альтернативный URL (стр. 124–151)
  2. ^ Д. Михалас (1968). Галактическая астрономия . WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0326-6.
  3. ^ «Зоопарк Хаббла и Галактики находят стержни, и детские галактики не смешиваются» . Science Daily . 16 января 2014 г.
  4. ^ «Рябь в галактическом пруду» . Scientific American . Октябрь 2005. Архивировано из оригинала 6 сентября 2013 года .
  5. ^ Р. А. Бенджамин; Э. Черчвелл; Б.Л. Баблер; Р. Индебетоу; MR Meade; Б. А. Уитни; К. Уотсон; MG Wolfire; MJ Wolff; Р. Игнас; ТМ Bania; С. Бракер; Д. П. Клеменс; Л. Чомюк; М. Коэн; Дж. М. Дики; Дж. М. Джексон; Кобульницкий Х.А. EP Mercer; JS Mathis; С. Р. Столовий; Б. Узпен (сентябрь 2005 г.). «Первые результаты GLIMPSE по звездной структуре Галактики». Письма в астрофизический журнал . 630 (2): L149 – L152. arXiv : astro-ph / 0508325 . Bibcode : 2005ApJ ... 630L.149B . DOI : 10.1086 / 491785 .
  6. ^ Лавдей, Дж. (Февраль 1996 г.). "Каталог ярких галактик APM". Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 278 (4): 1025–1048. arXiv : astro-ph / 9603040 . Bibcode : 1996MNRAS.278.1025L . DOI : 10.1093 / MNRAS / 278.4.1025 .
  7. ^ Дресслер, А. (март 1980 г.). «Морфология галактик в богатых скоплениях - значение для образования и эволюции галактик». Астрофизический журнал . 236 : 351–365. Bibcode : 1980ApJ ... 236..351D . DOI : 10.1086 / 157753 .
  8. ^ «Голодные муки» . Дата обращения 9 марта 2020 .
  9. ^ Алистер В. Грэм и К. Клэр Уорли (2008), Параметры галактик с поправкой на наклонение и пыль: отношения балджа к диску и отношения размер-светимость
  10. ^ de Vaucouleurs, G .; de Vaucouleurs, A .; Corwin, HG, Jr .; Buta, RJ; Paturel, G .; Фуке П. (2016), Третий справочный каталог ярких галактик
  11. ^ BD Simmons et al. (2014), Зоопарк Галактики: КАНДЕЛИ, диски с перемычкой и фракции стержней
  12. ↑ Astronomy Now (8 мая 2016 г.), астрономы обнаруживают двойные галактики типа «арахисовая скорлупа».
  13. ^ Богдан С. Ciambur и Алистер У. Грэма (2016), Количественный (х / арахисовый) -образная структура ребра дисковых галактик: длина, прочность, и вложенный арахис
  14. ^ «Бардак из звезд» . Проверено 11 августа 2015 года .
  15. ^ Самая старая спиральная галактика - урод космоса http://www.zmescience.com/space/oldest-spiral-galaxy-31321/
  16. ^ Гонсалес, Роберт Т. (19 июля 2012 г.). «Хаббл обнаружил древнюю галактику, которой не должно быть» . io9 . Проверено 10 сентября 2012 года .
  17. ^ Королевское астрономическое общество (11 июня 2019 г.). «Гражданские ученые перенастраивают классификацию галактик Хаббла» . EurekAlert! . Проверено 11 июня 2019 .
  18. ^ Мастерс, Карен Л .; и другие. (30 апреля 2019 г.). «Зоопарк Галактики: проблема разматывания спирали - наблюдения выпуклости спиральной выпуклости и углов наклона рукавов предполагают, что местные спиральные галактики извиваются». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 487 (2): 1808–1820. arXiv : 1904.11436 . Bibcode : 2019MNRAS.487.1808M . DOI : 10.1093 / MNRAS / stz1153 .
  19. ^ «Спиральный дом взрывающихся звезд» . ЕКА / Хаббл . Проверено 2 апреля 2014 года .
  20. ^ а б в Белкора, Л. (2003). Размышляя о небесах: история открытия Млечного Пути . CRC Press . п. 355. ISBN 978-0-7503-0730-7.
  21. ^ Lin, CC; Шу, FH (август 1964 г.). «О спиральной структуре дисковых галактик». Астрофизический журнал . 140 : 646–655. Bibcode : 1964ApJ ... 140..646L . DOI : 10.1086 / 147955 .
  22. ^ а б Хенбест, Найджел (1994), Путеводитель по Галактике , Cambridge University Press , стр. 74, ISBN 9780521458825, Лин и Шу показали, что этот спиральный узор будет сохраняться более или менее вечно, даже несмотря на то, что отдельные звезды и газовые облака всегда дрейфуют в рукава и снова наружу..
  23. ^ «Время жизни основной последовательности» . Swinburne Astronomy Online . Технологический университет Суинберна . Проверено 8 июня 2019 .
  24. ^ Francis, C .; Андерсон, Э. (2009). «Галактическая спиральная структура». Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки . 465 (2111): 3425–3446. arXiv : 0901.3503 . Bibcode : 2009RSPSA.465.3425F . DOI : 10.1098 / rspa.2009.0036 .
  25. ↑ Ф. Ширли Паттерсон (1940), Градиент яркости Мессье 33
  26. ^ Жерар де Вокулер (1957), Исследования Магеллановых Облаков. III. Поверхностная яркость, цвета и интегральные величины Облаков.
  27. ^ Фриман, KC (1970). «На дисках спиральных и других галактик». Астрофизический журнал . 160 : 811. Bibcode : 1970ApJ ... 160..811F . DOI : 10,1086 / 150474 .
  28. ^ «НАСА - Хаббл смотрит на звезду, изменившую Вселенную» .
  29. ^ Хаббл, EP (май 1926 г.). «Спиральная туманность как звездная система: Мессье 33». Астрофизический журнал . 63 : 236–274. Bibcode : 1926ApJ .... 63..236H . DOI : 10.1086 / 142976 .
  30. ^ Жерар де Вокулёр (1964), Интерпретация распределения скоростей внутренних областей Галактики
  31. ^ Chen, W .; Gehrels, N .; Diehl, R .; Хартманн, Д. (1996). «Об интерпретации спирального рукава особенностей карты COMPTEL 26 Al». Обзоры космической науки . 120 : 315–316. Bibcode : 1996A и AS..120C.315C .
  32. ^ Макки, Мэгги (16 августа 2005 г.). «Бар в сердце Млечного Пути открыт» . Новый ученый . Проверено 17 июня 2009 года .

  • Giudice, GF; Mollerach, S .; Руле, Э. (1994). «Может ли EROS / MACHO обнаруживать галактический сфероид вместо галактического гало?». Physical Review D . 50 (4): 2406–2413. arXiv : astro-ph / 9312047 . Bibcode : 1994PhRvD..50.2406G . DOI : 10.1103 / PhysRevD.50.2406 . PMID  10017873 .
  • Стивенс, Тим (6 марта 2007 г.). «Обзор AEGIS раскрывает новый принцип формирования и эволюции галактик» . Калифорнийский университет в Санта-Крус. Архивировано из оригинального 11 -го марта 2007 года . Проверено 24 мая 2006 года .
  • Спиральные галактики @ SEDS страницы Мессье
  • SpiralZoom.com , образовательный сайт о спиральных галактиках и других спиральных образованиях, встречающихся в природе. Для средней школы и широкой аудитории.
  • Объяснение спиральной структуры
  • GLIMPSE: экстраординарное инфракрасное исследование среднего уровня Галактического наследия
  • Меррифилд, М.Р. "Спиральные галактики и скорость узоров" . Шестьдесят символов . Brady Харан для Ноттингемского университета .