Спиральные волны в галактиках

Самая интересная особенность многих галактик — это их спиральная структура, вызывающая впечатление звездного вихря и часто красивая сама по себе. Как возникают спиральные рукава и почему за миллиарды и миллиарды лет они не «намотались» на центральную часть? Ведь звезды в галактике вращаются дифференциально, с разной угловой скоростью на различных расстояниях от центра (а нс как твердый диск или обруч). Парадокс был разрешен только в середине 60-х гг. XX в. (вновь временные рамки становления современного естествознания!), когда Ц. Лин и Ф. Шу в США предложили идею звездных волн, бегущих по диску галактики вне зависимости от её дифференциального вращения. Оказывается спиральный рукав является той областью диска, куда подошел фронт волны, где вещество временно уплотнилось. Через некоторое время гребень волны сгущения перейдет в новое положение, а в прежнем месте возникнет разрежение.

Рис. 70. Схема появления спиральной волны

Механизм формирования спиральной волны с пересечением (баром) показан на рис. 70 для случая, когда орбиты звезд вблизи центра ориентированы примерно одинаково, а при удалении к периферии — разворачиваются. Однако как убедиться в том, что реальны волны не только на поверхности воды или в газах, но и в космических структурах? Ведь период колебаний в звездной волне растягивается на сотни миллионов лег!

Здесь самое время вспомнить, что любой волновой процесс характеризуется как временной, так и пространственной периодичностью (см. формулу 41). Поэтому можно было ожидать периодического чередования значений скоростей движения звезд в галактическом диске. Проведенные измерения поля скоростей звезд в нашей Галактике позволили выделить периодическую структуру спиралевидной формы, и она полностью соответствует расположению спиральных рукавов в окрестностях Солнца. Иначе говоря, данные о периодичности поля скоростей стали решающим аргументом в пользу теории звездных галактических волн.

Рис. 71. Галактика М31

Следствием движения волнового фронта по диску галактики могут быть ударные волны в межзвездном газе. Для этого необходимо одно условие — скорость движения гребня звездной волны должна превышать скорость звука в межзвездном газе. Только тогда возникает галактическая ударная волна. Действительно, во многих галактиках (рис. 71) проявляются узкие темные области сильно сжатого газа и пыли, тонкой спиралью протягивающиеся вдоль гораздо более широких рукавов. Из этих областей идет сильное гамма-излучение, возникающее при столкновениях протонов космических лучей с протонами сгущенного межзвездного водорода. Ещё более важно то, что с галактическими ударными волнами связано интенсивное звездообразование, так что непосредственно в области ударной волны мы можем наблюдать самые молодые звезды, а в области за фронтом волны возраст звезд увеличивается. Чем дальше от фронта ударной волны в галактике, тем старше звездное «население» — такое распределение возрастов звезд по ширине спиральных рукавов действительно было обнаружено в нашей и в других галактиках.