Спиральная галактика - Википедия - Spiral galaxy

Пример спиральной галактики Галактика Вертушка (также известный как Messier 101 или NGC 5457)

Спиральные галактики сформировать класс галактики первоначально описанный Эдвин Хаббл в его работе 1936 года Царство туманностей[1] и, как таковые, являются частью Последовательность Хаббла. Большинство спиральных галактик состоят из плоских вращающихся галактик. диск содержащий звезды, газ и пыль, и центральная концентрация звезд, известная как выпуклость. Часто они окружены более слабым гало звезд, многие из которых проживают в шаровые скопления.

Спиральные галактики названы по своим спиральным структурам, которые простираются от центра к галактическому диску. Спиральные рукава - это места продолжающегося звездообразования, и они ярче, чем окружающий диск, из-за молодого, горячего OB звезды которые населяют их.

Примерно две трети всех спиралей имеют дополнительный компонент в виде стержневой структуры,[2] отходя от центрального выступа, на концах которого начинаются спиральные рукава. Доля спирали с перемычкой относительно спирали без стержней вероятно изменился за историю вселенная около 8 миллиардов лет назад, примерно до четверти 2,5 миллиарда лет назад и до настоящего времени, где только около 10% содержали слитки, где более двух третей галактики в видимой вселенной (Объем Хаббла ) есть решетки.[3]

В Млечный Путь представляет собой спираль с перемычкой, хотя саму полосу трудно наблюдать из текущего положения Земли внутри галактического диска.[4] Наиболее убедительные доказательства того, что звезды образуют полосу в центре Галактики, получены из нескольких недавних обзоров, включая Космический телескоп Спитцера.[5]

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

Структура

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 инфракрасный свет.

Спиральные рукава регионы звезды которые простираются от центра спираль и спираль с перемычкой галактики. Эти длинные и тонкие области напоминают спираль и поэтому дали название спиральным галактикам. Естественно, разные классификации спиральных галактик имеют четкую структуру рук. 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]

А выпуклость большая, плотно упакованная группа звезды. Термин относится к центральной группе звезд 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 Население II звезды, которые представляют собой старые красные звезды с низким содержанием металлов. Кроме того, балдж галактик Sa и SBa имеет тенденцию быть большим. Напротив, балджи галактик Sc и SBc намного меньше[9] и состоят из молодых, голубых Население I звезды. Некоторые балджи имеют свойства, аналогичные свойствам эллиптических галактик (уменьшенные до более низкой массы и светимости); другие просто выглядят как центры дисков с более высокой плотностью со свойствами, подобными дисковым галактикам.

Считается, что на многих выпуклостях огромная черная дыра в их центрах. Например, в нашей галактике объект под названием Стрелец А * считается сверхмассивной черной дырой. Существует множество доказательств существования черных дыр в центрах спиральных галактик, в том числе наличие активные ядра в некоторых спиральных галактиках, и динамические измерения, которые обнаруживают большие компактные центральные массы в галактиках, таких как NGC 4258.

Бар

Спиральная галактика NGC 2008

Удлинение звезд в форме стержней наблюдается примерно в двух третях всех спиральных галактик.[10][11] Их присутствие может быть как сильным, так и слабым. В спиральных (и линзовидных) галактиках, видимых с ребра, наличие перемычки иногда можно определить по неплоскостным X-образным структурам или структурам (арахисовая раковина).[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 ( галактический самолет ) в более или менее условных круговых орбиты вокруг центра галактики ( Галактический Центр ) или в сфероидальный галактическая выпуклость вокруг ядра галактики.

Однако некоторые звезды населяют сфероидальный ореол или же галактический сфероид, тип галактическое гало. Орбитальное поведение этих звезд оспаривается, но они могут проявлять ретроградный и / или очень склонный орбиты, или вообще не двигаться по обычным орбитам. Звезды гало могут быть получены из небольших галактик, которые падают в слияние со спиральной галактикой - например, Карликовая сфероидальная галактика Стрелец находится в процессе слияния с Млечным путем, и наблюдения показывают, что некоторые звезды в гало Млечного Пути были получены из него.

NGC 428 спиральная галактика с перемычкой, расположенная примерно в 48 миллионах световых лет от Земли в созвездии Cetus.[14]

В отличие от галактического диска, гало кажется свободным от пыль, и, напротив, звезды в галактическом гало имеют вид Население II, намного старше и намного ниже металличность чем их Население I кузены в галактическом диске (но похожие на те, что в галактическом балджу). Галактическое гало также содержит много шаровые скопления.

Движение звезд-гало действительно иногда приводит их сквозь диск, и ряд мелких красные карлики близко к солнце считаются принадлежащими к галактическому гало, например Звезда Каптейна и Грумбридж 1830. Из-за нерегулярного движения вокруг центра галактики эти звезды часто имеют необычно высокие правильное движение.

Самая старая спиральная галактика

Самая старая спиральная галактика в файле BX442. Ему одиннадцать миллиардов лет, и это более чем на два миллиарда лет старше любого предыдущего открытия. Исследователи считают, что форма галактики вызвана гравитационным влиянием компаньона. карликовая галактика. Компьютерные модели, основанные на этом предположении, показывают, что спиральная структура BX442 прослужит около 100 миллионов лет.[15][16]

Связанный

В июне 2019 г. гражданские ученые через Галактический зоопарк сообщил, что обычная классификация Хаббла, особенно в отношении спиральные галактики, может не поддерживаться и может нуждаться в обновлении.[17][18]

Происхождение спиральной структуры

Спиральная галактика NGC 6384 взято Космический телескоп Хаббла.
Спиральная галактика NGC 1084, дом пяти сверхновые.[19]

Пионером в исследованиях вращения Галактики и образования спиральных рукавов был Бертил Линдблад в 1925 г. 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 искривлялось бы по мере вращения галактики. Рукав после нескольких галактических оборотов станет все более изогнутой и обвивается вокруг галактики все сильнее. Это называется проблема намотки. Измерения в конце 1960-х показали, что орбитальная скорость звезд в спиральных галактиках по отношению к их расстоянию от галактического центра действительно больше, чем ожидалось из Ньютоновская динамика но до сих пор не может объяснить устойчивость спиральной структуры.

С 1970-х годов существуют две основные гипотезы или модели спиральных структур галактик:

  • звездообразование, вызванное волны плотности в галактический диск галактики.
  • стохастическая модель самораспространяющегося звездообразования (Модель SSPSF ) - звездообразование, вызванное ударными волнами в межзвездная среда. Ударные волны вызваны звездными ветрами и сверхновыми звездами от недавнего предыдущего звездообразования, что приводит к самораспространяющимся и самоподдерживающимся звездообразованиям. Затем спиральная структура возникает из-за дифференциального вращения диска галактики.

Эти разные гипотезы не исключают друг друга, так как они могут объяснять разные типы спиральных рукавов.

Модель волны плотности

Основная статья: Теория волн плотности
Анимация орбит, предсказанная теорией волн плотности, объясняющей существование стабильных спиральных рукавов. Звезды движутся 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 короткоживущими голубыми звездами, освещающими руки.[20]

Историческая теория Линя и Шу

Увеличенная диаграмма, иллюстрирующая объяснение Линем и Шу спиральных рукавов с точки зрения слегка эллиптических орбит.

Первая приемлемая теория спиральной структуры была разработана К. С. Линь и Франк Шу в 1964 г.,[21] попытка объяснить крупномасштабную структуру спиралей в терминах волны малой амплитуды, распространяющейся с фиксированной угловой скоростью, которая вращается вокруг галактики 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 сквозь 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 критерии схлопывания облака ( Джинсовая нестабильность ) зависит от плотности, более высокая плотность увеличивает вероятность коллапса облаков и образования звезд.
  • Когда волна сжатия проходит, она вызывает звездообразование на переднем крае спиральных рукавов.
  • Когда облака захватываются спиральными рукавами, они сталкиваются друг с другом и ударные волны через газ, который, в свою очередь, заставляет 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 намного быстрее[23]их гибель имеет тенденцию оставлять более темный фон из более тусклых звезд сразу за волнами плотности. Это делает волны плотности более заметными.[20]

Кажется, что спиральные рукава проходят через старые известные звезды, когда они движутся 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]

Гравитационные 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 создают молекулярные облака в котором новые звезды формы и эволюции к грандиозным бисимметричным спиралям.[24]

Распределение звезд по спиралям

Подобное распределение звезд в спиралях

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

с - 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.

Спиральная туманность

До того, как стало понятно, что спиральные галактики существуют за пределами нашей галактики Млечный Путь, их часто называли спиральные туманности. Вопрос о том, были ли такие объекты отдельными галактиками, независимыми от Млечного Пути, или типом галактик. туманность существующий в нашей собственной галактике, был предметом Великие дебаты 1920 г., между Хибер Кертис из Обсерватория Лика и Харлоу Шепли из Mt. Обсерватория Вильсона. Начиная с 1923 г., Эдвин Хаббл[28][29] наблюдаемый Цефеид переменные в нескольких спиральных туманностях, включая так называемую "Туманность Андромеды", доказывая, что на самом деле это целые галактики за пределами нашей. Период, термин спиральная туманность с тех пор вышла из употребления.

Млечный Путь

В Млечный Путь когда-то считалась обычной спиральной галактикой. Впервые астрономы начали подозревать, что Млечный Путь представляет собой спиральную галактику с перемычкой в ​​1960-х годах.[30][31] Их подозрения подтвердили Космический телескоп Спитцера наблюдения в 2005 г.,[32] который показал, что центральная полоса Млечного Пути больше, чем предполагалось ранее.

Млечный путь Спиральные рукава - на основе МУДРЫЙ данные.

Известные примеры

Дальнейшая информация: Список спиральных галактик

Смотрите также

Классификация

Другой

Рекомендации

  1. ^ Хаббл, Э. (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. В. Х. Фриман. ISBN  978-0-7167-0326-6.
  3. ^ «Хаббл и зоопарк Галактики находят стержни, и детские галактики не смешиваются». Science Daily. 16 января 2014 г.
  4. ^ «Рябь в галактическом пруду». Scientific American. Октябрь 2005 г. Архивировано с оригинал 6 сентября 2013 г.
  5. ^ Р. А. Бенджамин; Э. Черчвелл; Б. Л. Баблер; Р. Индебетоу; М. Р. Мид; Б. А. Уитни; К. Уотсон; М. Г. Вулфайр; М. Дж. Вольф; Р. Игнас; Т. М. Баня; С. Бракер; Д. П. Клеменс; Л. Чомюк; М. Коэн; Дж. М. Дики; Дж. М. Джексон; Х. А. Кобульницкий; Э. П. Мерсер; Дж. С. Матис; Столовий С.Р .; 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. Дои: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:1996МНРАС.278.1025Л. Дои: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. Дои:10.1086/157753.
  8. ^ "Муки голода". Получено 9 марта 2020.
  9. ^ Алистер В. Грэм и К. Клэр Уорли (2008 г.), Параметры галактик с поправкой на наклонение и пыль: отношение балджа к диску и соотношение размер-светимость
  10. ^ de Vaucouleurs, G .; de Vaucouleurs, A .; Corwin, H. G., Jr .; Buta, R.J .; Paturel, G .; Фуке, П. (2016), Третий справочный каталог ярких галактик
  11. ^ B.D. Simmons et al. (2014), Галактический зоопарк: КАНДЕЛИ с решетчатыми дисками и дробями
  12. ^ Astronomy Now (8 мая 2016 г.), Астрономы обнаружили двойные галактики типа "арахисовая скорлупа"
  13. ^ Богдан Чиамбур и Алистер В. Грэм (2016), Количественная оценка структуры (X / арахиса) в дисковых галактиках, видимых с ребра: длина, сила и вложенные арахисы
  14. ^ "Месиво звезд". Получено 11 августа 2015.
  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. Получено 10 сентября 2012.
  17. ^ Королевское астрономическое общество (11 июня 2019 г.). «Гражданские ученые перенастраивают классификацию галактик Хаббла». EurekAlert!. Получено 11 июн 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:2019МНРАС.487.1808М. Дои:10.1093 / mnras / stz1153.
  19. ^ «Спиральный дом взрывающихся звезд». ЕКА / Хаббл. Получено 2 апреля 2014.
  20. ^ а б c Белкора, Л. (2003). Размышляя о небесах: история открытия Млечного Пути. CRC Press. п. 355. ISBN  978-0-7503-0730-7.
  21. ^ Lin, C.C .; Шу, Ф. Х. (август 1964 г.). «О спиральной структуре дисковых галактик». Астрофизический журнал. 140: 646–655. Bibcode:1964ApJ ... 140..646L. Дои:10.1086/147955.
  22. ^ а б Хенбест, Найджел (1994), Путеводитель по галактике, Издательство Кембриджского университета, п. 74, ISBN  9780521458825, Линь и Шу показали, что этот спиральный узор будет сохраняться более или менее навсегда, даже несмотря на то, что отдельные звезды и газовые облака всегда дрейфуют в рукава и обратно..
  23. ^ «Продолжительность жизни основной последовательности». Swinburne Astronomy Online. Технологический университет Суинберна. Получено 8 июн 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. Дои:10.1098 / rspa.2009.0036.
  25. ^ Ф. Ширли Паттерсон (1940), Градиент яркости Мессье 33
  26. ^ Жерар де Вокулёр (1957), Исследования Магеллановых облаков. III. Поверхностная яркость, цвета и интегральные величины Облаков.
  27. ^ Фриман, К. С. (1970). «На дисках спиральных и других галактик». Астрофизический журнал. 160: 811. Bibcode:1970ApJ ... 160..811F. Дои:10.1086/150474.
  28. ^ «НАСА - Хаббл видит звезду, изменившую Вселенную».
  29. ^ Хаббл, Э. (Май 1926 г.). «Спиральная туманность как звездная система: Мессье 33». Астрофизический журнал. 63: 236–274. Bibcode:1926ApJ .... 63..236H. Дои: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 КОМПТЕЛ" 26Все особенности карты ». 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. Получено 17 июн 2009.

внешняя ссылка