Склад та структура галактик - Математика
5. Склад та структура галактик
До складу галактик, крім основної складової - зірок, входять також міжзоряний газ та міжзоряний пил.
Раніше вчені вважали, що простір, де знаходяться зірки, є абсолютна порожнеча. Лише окремі астрономи іноді порушували питання про можливе поглинання світла в міжзоряному середовищі. І лише на початку XX століття німецький астроном Гартман переконливо довів, що простір між зірками є аж ніяк не міфічною порожнечею. Воно заповнене газом, щоправда, з дуже малою, але цілком певною густиною. Це видатні відкриття, як і багато інших, було зроблено з допомогою спектрального аналізу.
Майже половину століття міжзоряний газ досліджувався головним чином шляхом аналізу ліній поглинання, що утворюються в ньому. З'ясувалося, наприклад, що часто ці лінії мають складну структуру, тобто складаються з кількох близько розташованих один до одного компонент. Кожна така компонента виникає при поглинанні світла зірки в якомусь певному хмарі міжзоряного середовища, причому хмари рухаються одна щодо одної зі швидкістю, близькою до 10 км/сек.
Хімічний склад міжзоряного газу першому наближенні виявився досить близьким до хімічного складу зірок. Переважаючими елементами є водень і гелій, тим часом як інші елементи ми можемо розглядати як домішки.
Міжзоряний газ у галактиках зазвичай становить кілька відсотків повної маси зірок. Найбільше газу зустрічається у неправильних галактиках (іноді до 50%) та найменше в еліптичних галактиках.
Міжзоряний пил найкраще помітний у галактиках, диск яких видно нам з "ребра". Як зазначалося у розділі 3,міжзоряний пил, що знаходиться в площині диска, поглинає світло зірок, і галактика через це здається пересіченою темною смугою. Міжзоряний пил – це тверді мікроскопічні частинки речовини розміром менше мікрона. Ці порошинки мають складний хімічний склад. Встановлено, що порошинки мають досить витягнуту форму і певною мірою "орієнтуються", тобто напрями їх витягнутості мають тенденцію "вибудовуватися" в даній хмарі більш-менш паралельно. З цієї причини зоряне світло, що проходить через тонке середовище, стає частково поляризованим.
Якщо за своїм складом галактики подібні, то структура галактик, що спостерігаються, різна.
Найпростіше виглядають еліптичні галактики: вони рівні, однорідні за кольором та симетричні. Їхня майже досконала будова наводить на думку про їхню суттєву простоту, і дійсно, параметри еліптичних галактик виявилося легше виміряти і підшукати під них теоретичні моделі, ніж зробити це для складніших родичів цих об'єктів.
Розглянемо, наприклад, будову типової еліптичної галактики NGC 1399. У її центрі знаходиться яскраве ядро, оточене розмитим сяйвом, яскравість якого знижується в міру віддалення від центру. Як і в усіх еліптичних галактик, падіння яскравості описується простою математичною формулою. Форма контуру галактики теж залишається майже однаковою всіх рівнях яскравості. Всі ізофоти є майже ідеальними еліпсами, центрованими в точності на ядро галактики. Напрями великих осей та відношення великої осі до малої майже однакові у всіх еліпсів.
Фундаментальна простота еліптичних галактик узгоджується з припущенням, що вони управляються невеликою кількістю сил. Орбіти зірок гладкі та добре перемішані і ніщо, крім гравітації, не впливає наїхнє розташування, і ніяке безперервне зореутворення не зруйнувало їх правильності.
На відміну від еліптичних галактик для спіральних характерна наявність диска та балджу (потовщення). Спіральні рукави поступаються диску і балджу за кількістю зірок, що містяться в них, хоча і є важливими і визначними частинами галактики. Диск спіральної галактики досить плаский. З ребра галактики видно, що товщина типового диска становить близько 1/10 його діаметра.
За допомогою методів моделювання на ЕОМ було доведено, що спіральні галактики являють собою зіркові системи, що швидко обертаються. Причиною утворення балдж, які мають більшість структурних властивостей еліптичних галактик, є те, що зірки починають утворюватися спочатку в центральних областях галактик, де щільність найвища.
Спіральна структура спіральних галактик виникає через те, що внутрішня частина галактики обертається зі швидкістю, відмінною від швидкості зовнішньої частини та рукава, поступово закручуються в спіральний візерунок. Для галактик з віком, характерним для навколишніх галактик, число обертів візерунка має бути дуже великим – приблизно рівним віку, поділеному на середній період обертання – близько 100. Однак у реальних спіральних галактик – принаймні у тих, що мають чіткі безперервні спіральні гілки , Закрутка спірального візерунка, що спостерігається, становить лише на один-два обороти. Постає питання: як це пояснити? Проблема досі не вирішена. Вчені віддають перевагу магнітній, хвильовій та вибуховій гіпотезам, які враховують астрофізичну сторону проблеми.
У багатьох спіральних галактик є ще одна чудова структурна особливість - концентрація зірок у формі бруска (бару), що перетинає ядро і тягнетьсясиметричним чином обидві сторони. Дані вимірювань швидкостей в них показують, що бари обертаються навколо ядра як тверді тіла, хоча, зрозуміло, вони насправді складаються з окремих зірок та газу. Бари, що зустрічаються в галактиках типу S0 або Sa, більш рівні і складаються виключно із зірок, тоді як бари в галактиках типів Sb, Sc та Irr часто містять багато газу та пилу. Все ще точаться суперечки про рухи газу в цих барах. Деякі дані свідчать, що газ тече назовні вздовж бару, а за іншими даними, він тече всередину. У будь-якому випадку, існування барів не дивує астрономів, які вивчають динаміку галактик. Численні моделі показують, що нестійкості в диску галактики, що обертається, можуть проявлятися у формі бару, що нагадує спостерігаються.