Астрономы продолжают исследовать формирование спиральных рукавов галактик

Спиральные галактики, такие как знаменитая галактика Водоворот (M51), представляют собой одни из самых узнаваемых объектов во Вселенной. Впервые этот объект был идентифицирован как спиральная галактика в 1845 году, когда астрономы еще не знали о существовании других галактик. Лишь в начале 1920-х годов Эдвин Хаббл доказал, что таких объектов гораздо больше.

Сейчас известно о сотнях тысяч спиральных галактик, однако точное их количество остается неопределенным.

Спиральные галактики выглядят, как будто звезды и газ в их рукавах вращаются вокруг центра галактики. Однако это объяснение не работает: внутренние области диска галактики вращаются быстрее, чем внешние спиральные рукава, что должно приводить к тому, что спиральные рукава со временем становятся все более тугими и исчезают. Поскольку этого не происходит, астрономы ищут другие объяснения. Это привело к теории плотностных волн, согласно которой спиральные рукава представляют собой волновой паттерн, подобный пробке на дороге. Хотя эта теория объясняет некоторые наблюдаемые явления, она не может объяснить, почему рукава сохраняются так долго.

Исследователи продолжают изучать спиральные галактики, их формирование и поддержание. Важным вопросом остается, почему некоторые спиральные галактики имеют два рукава, а другие — больше. Ответ на этот вопрос может помочь в понимании более широкой проблемы.

Недавнее исследование, опубликованное в журнале The Astrophysical Journal, посвящено спиральным рукавам. Статья под названием "Сравнение количества спиральных рукавов галактик с их концентрацией и массой: первый взгляд с помощью Euclid" основана на новых наблюдениях, полученных с помощью космического телескопа Euclid, запущенного Европейским космическим агентством два года назад.

"Спиральные галактики — одни из самых узнаваемых объектов во Вселенной, но мы никогда полностью не понимали, почему у них разное количество спиральных рукавов", — заявила ведущий автор исследования, профессор физики и астрономии в Университете Восточного Теннесси Беверли Смит. "Изучая тысячи галактик, мы начинаем выявлять закономерности, которые показывают, как эти системы формировались и эволюционировали на протяжении миллиардов лет."

Телескоп Euclid был запущен для изучения расширения Вселенной и измеряет красное смещение галактик до z=2, что соответствует примерно 10 миллиардам лет назад. Его наблюдения также позволили астрономам различать спиральные рукава в галактиках, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет.

"Спиральные галактики можно разделить на классы в зависимости от количества рукавов и их структуры", — отмечают исследователи. "Галактики с грандиозным дизайном имеют два длинных непрерывных рукава, многорукавные галактики имеют три или более относительно длинных рукавов, а флоккулентные галактики обладают множеством коротких фрагментов рукавов."

В рамках данного исследования ученые проанализировали и сравнили галактики с двумя и тремя рукавами, используя каталогированные данные из первого быстрого релиза данных Euclid.

"Мы сравниваем галактики с двумя и тремя рукавами, классифицированные с помощью программного обеспечения Euclid Zoobot", — пишут авторы. Данные Euclid также содержат информацию о stellar mass (звездной массе), концентрациях и ставках звездообразования (SFR).

Исследователи идентифицировали более 380 000 галактик и, после фильтрации тех, у которых количество рукавов было нечетким, пришли к некоторым выводам. "Приблизительно 60%-70% спиралей Euclid имеют два рукава, а около 15%-20% — три рукава. Однорукавные галактики редки и имеют низкие массы по сравнению с двухрукавными спиралями", — добавляют авторы. Остальные около 20% были исключены из анализа из-за неясности их количества рукавов.

Также было установлено, что спиральные галактики с крупными центральными выступами, включая нашу Галактику, обычно имеют два доминирующих спиральных рукава. "Галактики с крупными выступами, как правило, имеют убывающие кривые вращения, что, в свою очередь, создает высокий уровень сдвига, что способствует формированию двухрукавных морфологий", — объясняют авторы.

Однако галактики с менее массивными центрами, как правило, имеют множество рукавов. Интересно, что эти результаты согласуются с компьютерными симуляциями. "Эти результаты соответствуют теоретическим моделям и симуляциям, которые показывают, что двухрукавные галактики предпочтительнее, когда выступ выражен", — пишут авторы.

Это исследование расширяет наше понимание спиральных галактик и дает некоторые подсказки о том, как они формируются. Однако есть и оговорки. "Немногие галактики являются полностью двухрукавными или полностью трехрукавными (или полностью четырехрукавными), но вместо этого существует континуум морфологий, где ветви и ответвления являются обычным явлением", — отмечают авторы. Они добавляют, что "структура спиральных рукавов более сложна, чем три простые категории: грандиозный дизайн, многорукавные и флоккулентные."

Другие исследователи разработали более детализированную систему идентификации галактик, которая включает 12 категорий. "Дополнительная информация, предоставляемая этими 12 категориями, может быть полезной для изучения вопросов о происхождении и эволюции спиральных паттернов в галактиках", — объясняют исследователи. Однако внедрить это в масштабное исследование, подобное исследованию Euclid, будет очень сложно.

Спиральные рукава галактики формируются в зависимости от концентрации материи, включая темную материю. Подсчет спиральных рукавов в галактиках может помочь оценить, сколько темной материи присутствует в их центрах, по словам исследователей. "Количество спиральных рукавов оказывается не просто интересной особенностью — оно отражает то, что происходит глубоко внутри самой галактики", — говорит Смит. "Это захватывающе, потому что дает нам еще один инструмент для понимания частей Вселенной, которые мы не можем наблюдать напрямую, таких как темная материя."

Хотя это исследование само по себе не может ответить на вопрос о том, как спиральные рукава формируются и поддерживаются на протяжении длительного времени, оно содержит некоторые подсказки. Двухрукавные (подобные грандиозному дизайну) спирали доминируют в диапазоне масс и красных смещений в этой работе. Это подтверждает идею о том, что массивные и стабильные диски с большей вероятностью сохраняют стабильный двухрукавный паттерн. Трехрукавные галактики, которых значительно меньше, более согласуются с идеей о том, что спиральные рукава являются временными или повторяющимися.

Возможно, существуют два подтипа двухрукавных спиралей. Возможно, некоторые из них являются временными, в то время как другие долговечны, согласно авторам. "Применение более детализированной морфологической классификационной схемы для спиральных паттернов в галактиках может привести к лучшему пониманию различных процессов, вовлеченных в создание и поддержание спиральных паттернов в галактиках", — пишут исследователи. "Более глубокий анализ тонких вариаций в спиральных структурах и физических свойствах галактик, отобранных различными методами, может привести к полезным инсайтам."