Подумайте о самых крупных объектах ночного неба, изображения которых вы видели. Да, конечно, они бывают совершенно разными – умирающие звёзды, остатки сверхновых, формирующие звёзды туманности и звёздные скопления, как старые, так и новые – но ничто не сравнится с красотой спиральных галактик. Содержащие от миллиардов до триллионов звёзд, эти «островные вселенные» демонстрируют уникальную структуру. Структуру довольно-таки загадочную, если задуматься об этом – как задумался читатель Грег Роджерс:

Что меня всегда удивляло по поводу спиральных галактик, так это их рукава, обёрнутые вокруг них не более чем на половину галактики. Поскольку внешняя часть вращается вокруг ядра медленнее, можно было бы ожидать встретить галактики, рукава которых обёрнуты множество раз вокруг ядра. Неужто Вселенная недостаточно старая для того, чтобы в ней появились так сильно закрученные галактики?

Рассматривайте какие угодно спиральные галактики, но у всех них будет схожая видимая структура.















Из центрального ядра наружу тянутся несколько спиральных рукавов – обычно от двух до четырёх – оборачивающихся вокруг галактики по мере удаления от центра. Одно из фантастических открытий 1970-х, вступившее в противоречие с ожиданиями, заключалось в том, что скорость движения звёзд по орбите вокруг галактики не уменьшается по мере отдаления от ядра – так, как это происходит с планетами в Солнечной системе, которые путешествуют по орбитам тем медленнее, чем дальше они расположены от центра. Скорость вращения звёзд остаётся постоянной – это ещё один из способов сказать, что у кривых вращения галактик плоский профиль.



Мы измеряли это, изучая галактики, расположенные к нам ребром, и подсчитывая, какое красное или синее смещение демонстрируют звёзды по отношению к их расстоянию от центра галактики. И хотя скорости отдельных звёзд практически не меняются, звезда, расположенная в два раза дальше от центра обращается вокруг него в два раза медленнее, а расположенная в десять раз дальше – в десять раз медленнее.

Вооружившись этим, можно подсчитать, что для галактики типа нашего Млечного пути Солнцу требуется 220 млн лет для завершения одного оборота вокруг галактики. Поскольку мы расположены примерно в 26000 световых годах от центра Галактики, наша позиция чуть ближе, чем половина пути от центра до самых окраин. Это значит, что поскольку нашей галактики около 12 млрд лет, внешние звёзды должны были совершить полный оборот всего 25 раз. Звёзды, расположенные так же, как Солнце, сделали 54 оборота. Звёзды внутри круга радиусом 10 000 световых лет совершили уже более 100 оборотов. Иначе говоря, можно ожидать, что галактики со временем закручиваются, как показано на видео ниже.



Но как показывают фотографии галактик, они не закручиваются многократно. В большинстве случаев рукава не обхватывают галактику даже единожды! Когда это свойство галактик выяснилось впервые, оно означало, по меньшей мере, следующее: эти спиральные рукава были нематериальны, это всего лишь видимость. И это так, вне зависимости от того, изолированы галактики или нет. Но есть ещё кое-что, если присмотреться.



Заметили розовые пятнышки, расположенные вдоль рукавов? Они появляются там, где присутствуют активные регионы формирования новых звёзд. Розовая точка – излишки излучаемого света на вполне определённой длине волны: 656,3 нм. Это излучение происходит, когда новые звёзды горят достаточно ярко для того, чтобы ионизировать газы, и затем, когда электроны воссоединяются с протонами, новообразованные атомы водорода испускают свет на определённой частоте, включая и ту, что делает эти регионы розовыми.

Нам это говорит о том, что эти спиральные рукава состоят из регионов, в которых плотность материала выше, чем в других частях галактики, и что звёзды свободно заходят и выходят из этих рукавов с течением времени.

Идея, объясняющая это, существует с 1964 года, и известна, как теория волн плотности. Теория утверждает, что рукава остаются на тех же самых местах с течением времени, так, как пробки на дороге остаются на тех же местах. Отдельные объекты (звёзды в галактике, автомобили на дороге) могут двигаться сквозь них, но примерно одно и то же количество объектов в любой момент всегда остаётся в «пробке». Из-за этого расположение уплотнённых участков остаётся неизменным.



Физика процесса проста: звёзды в определённых регионах создают привычные нам силы гравитации, и именно они и сохраняют спиральную форму. Иначе говоря, если мы начнём с региона с повышенной плотностью газа, и позволим нашему диску вращаться, то получим изначальный набор регионов, где впервые формируются звёзды: прото-рукава. С эволюцией галактики эти рукава – и регионы повышенной плотности – сохраняются только лишь благодаря эффектам гравитации.

Удивительно, что этот эффект так же хорошо работает как при наличии тёмной материи, окружающей галактику в виде гигантского гало, так и при её отсутствии.


Слева – галактика без тёмной материи, справа – с тёмной материей

И хотя предположения вопроса Грега были неверны, поскольку внешние звёзды галактики двигаются с такой же скоростью, как и внутренние, рукава и правда никогда не заворачиваются, вне зависимости от возраста галактики – просто из-за физики самой галактики. Как и пробки на дорогах, звёзды, газ и пыль, оказывающиеся в спиральных рукавах в любой момент времени, находятся в более плотном окружении, а когда они вырываются оттуда, расстояние от них до других звёзд увеличивается – в таком положении сегодня находится и наше Солнце.