Определение структуры нашей галактики Млечный Путь

Во всех учебниках написано, что наша Галактика относится к числу спиральных, но обычно это утверждение почти никак не обосновывается. Само существование светлой полосы Млечного Пути говорит лишь о том, что большинство звезд Галактики концентрируется в одной плоскости, в которой находится и наше Солнце. По этой причине расшифровать структуру Галактики крайне трудно: на одних лучах зрения мы видим объекты, находящиеся на самых различных расстояниях, а во многих других направлениях — лишь только ближайшие, поскольку газопылевые облака закрывают от нас свет более далеких областей. Наличие Млечного Пути говорит только об одном — наша система относится к числу дисковых, и не более того.

Тем не менее, открытие вращения Галактики в конце 20-х годов и выявление двух типов звездного населения в середине 40-х дало астрономам вполне определенные указания на то, что наша система является спиральной. Звезды высокой светимости, рассеянные скопления и, как было найдено позднее, газовые облака — все эти объекты, концентрирующиеся к диску Галактики (население I типа), обладают дифференциальным, то есть нетвердотельным вращением вокруг находящегося в направлении созвездия Стрельца центра концентрации шаровых скоплений. Последние же сами практически не участвуют в этом вращении и не концентрируются к плоскости Млечного Пути, а образуют сфероидальную систему (население II типа). Полученные результаты означают, что наша Галактика не может принадлежать к числу неправильных: у них не бывает ни столь большой массы (о которой можно судить по максимальной скорости вращения), ни такой выраженной концентрации к центру (о которой говорит дифференциальность вращения), ни столь заметной доли объектов населения II типа.


В пятидесятые годы появились первые работы, в которых давалась более или менее реалистичная картина расположения спиральных рукавов в нашей Галактике. Ключевыми были данные, полученные к 1950 году на 5-м телескопе обсерватории Маунт-Паломар немецким астрономом Вильгельмом Бааде. Ему удалось построить распределение водородных облаков, ионизированных излучением расположенных рядом горячих звезд, так называемых областей HII, в галактике Андромеды. Эти области вытягивались в длинные вереницы вдоль спиральных рукавов. Он также показал, что пыль, а значит и газ, в этой галактике тоже концентрируется к спиральным рукавам.

В 1952 году американский астроном Уильям Морган опубликовал схему расположения областей НИ в нашей Галактике — они показали наличие трех отрезков спиральных рукавов в окрестностях Солнца. Расстояние до областей НИ определялось по расстояниям возбуждающих их свечение звездам спектрального класса О. Эти звезды молоды и их концентрация в рукавах показывала, что именно в последних в основном и идет процесс звездообразования в спиральных галактиках. Вскоре, примерно в тех же областях была найдена концентрация молодых звездных скоплений и О-ассоциаций. Найденные три отрезка рукавов получили название по созвездиям, в направлении которых видны их наиболее выраженные участки: Киль-Стрелец, Лебедь-Орион и Персей.

Однако эти оптически полученные данные дали возможность проследить расположение спиральных рукавов лишь до расстояния 3-4 кпк от Солнца. Дальше межзвездное поглощение делало свет звезд и областей НИ слишком слабым. Понятно, что окончательно судить только по этим результатам о структуре всей нашей Галактики нельзя.

На помощь пришла молодая радиоастрономия. В радиодиапазоне на длине волны 21 см удалось поймать излучение атомов нейтрального водорода. Области его концентрации в Галактике обозначают как HI, и их главное отличие от областей HII заключается в том, что атомы водорода в них не ионизованы, то есть они обладают электроном или, проще говоря, нейтральны. В 1954 году голландский астроном Ян Оорт и его сотрудники впервые построили карту распределения облаков HI по всей Галактике. Картина получилась впечатляющей и по ней уже можно было отчетливо проследить длинные сегменты рукавов.


Но возникли и некоторые проблемы. Главная из них — определение расстояний до облаков HI. Решение данной задачи возможно. Оно строится на использовании лучевой скорости облаков и предположении о том, что их движение в Галактике происходит по круговой орбите. Однако газовые облака могут обладать заметным случайным движением, которое мы не можем отделить от орбитального. Кроме того, для облаков, лежащих на расстояниях от центра Галактики меньше солнечного, лучевая скорость дает два равно возможных значения расстояний. Все это приводит к неоднозначности получаемых нами результатов. Поэтому и по сей день, придя к выводу о том, что наша Галактика спиральная, астрономы не могут найти согласия относительно возможного числа спиральных рукавов в ней. Несколько утрируя ситуацию, можно сказать, что принадлежность системы Млечного Пути к спиральным галактикам является единственным достоверным знанием о нашем звездном доме.

В одной из самых распространенных классификаций галактик, разработанной еще Эдвином Хабблом, спиральные галактики делятся на подтипы а, Ь, с и d в порядке увеличения угла закручивания спиралей, степени концентрации массы к центру и уменьшения доли населения II типа соответственно. В ту же сторону увеличивается доля газа в галактиках и интенсивность наблюдаемого в них звездообразования. По большинству этих параметров наша Галактика занимает промежуточное положение между системами в Треугольнике (МЗЗ, Sc) и Андромеде (М31, Sb), будучи много ближе к М31 по массе, но с не менее активным звездообразованием, чем в МЗЗ. Кроме этих подтипов, спиральные галактики делятся на обычные (тип SA) и имеющие перемычку в центре, то есть бар, от которого часто и начинаются рукава (тип SB).

До самого последнего времени астрономы сокрушались по поводу отсутствия галактик SB-типа в нашей Местной группе. Но исследования последних лет приносят все больше доводов в пользу догадки, лет 30 назад сделанной французским астрономом Ж. Вокулером, о том, что наша собственная Галактика имеет заметный бар, простирающийся на 2-4 кпк от центра. В пользу данной гипотезы говорят полученные в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра данные о распределении яркости неразрешенного звездного фона в направлении центра Галактики. Они указывают на то, что ближайший к нам конец бара находится близ галактической долготы 27 градусов (в направлении созвездия Щита). Особенности движения газа в центральной области Галактики также удается объяснить предположением о существовании бара. По-видимому, вскоре вывод о том, что наша Галактика относится не к типу Sbc, а типу SBbc станет общепринятым.


Есть, однако, еще один параметр, важность которого для классификации спиральных галактик осознана лишь недавно. Это степень регулярности, то есть правильности спиральной структуры. Десять лет назад американские астрономы Брюс и Дебра Элмег-рины ввели 12 классов спиральной структуры, начиная от так называемых флоккулентных галактик, имеющих множество коротких фрагментов рукавов, через многорукавные, у которых могут быть несколько длинных рукавов, и до галактик, имеющих два длинных правильных рукава, совмещающихся после поворота на 180 градусов вокруг центра галактики.

Природа этих рукавов может быть различна. Множество коротких фрагментов рукавов у флоккулентных галактик, скорее всего, являются большими областями звездообразования, слабо связанными гравитационно и поэтому растягиваемыми вращением галактики в спиралевидные фрагменты.

С увеличением степени правильности спиральной структуры все большую роль играют так называемые спиральные волны плотности звезд и газа, вращающиеся вокруг центра галактики как твердое тело. Двигающиеся со скоростью дифференциального галактического вращения, звезды и газ пересекают эти волны и застревают в них на какое-то время из-за повышенного там гравитационного потенциала.

То есть то, что мы наблюдаем как спиральные рукава, вовсе не является постоянным сгущением звезд, газа и пыли. На самом деле, это области диска галактики, где вещество в данный момент уплотнилось из-за повышенного там гравитационного потенциала. Спиральные волны плотности обычно образуют два длинных, симметричных относительно центра, правильных рукава. Они также обращаются вокруг центра, но только как твердое тело.


Происхождение регулярных, то есть правильных рукавов, по-видимому, связано с наличием в центральной части галактики бара или хотя бы его зачатков, которые, как показывают наблюдения в инфракрасном диапазоне, есть практически у всех регулярных галактик.

В 1983 году все те же Элмегрины обнаружили интересную закономерность в строении ряда спиральных галактик. Она касается огромных, размером около 1 кпк, областей звездообразования или, как их называют астрономы, газо-звездных комплексов. Появление последних, очевидно, связано с гравитационной нестабильностью в газовых дисках галактик. И особенно благоприятны условия для их формирования в правильных спиральных рукавах. Так вот, в ряде случаев, как нашли Б. и Д. Элмегрины, эти комплексы расположены вдоль рукава на одинаковых расстояниях друг от друга и объяснить это можно лишь гравитационной неустойчивостью, развивающейся в уплотненном вдоль рукава газе.

Понятно, что классифицировать нашу Галактику по степени правильности ее спирального узора очень важно. Строго говоря, и по сей день неизвестно, можно ли экстраполировать на всю Галактику три фрагмента рукавов, с углом закручивания около 20 градусов, наблюдаемых нами в оптическом диапазоне вблизи Солнца. Более глобальные радиоастрономические данные дают угол закручивания около 10 градусов. Чтобы объяснить подобное расхождение американский астроном Г. Уивер еще в 1970 году предположил, что наблюдаемые нами фрагменты составляют лишь ответвления от глобального рукава, наблюдаемого по данным о HI.

Наличие в нашей Галактике по крайне мере одного длинного рукава с углом закручивания в 10 градусов можно считать доказанным. К этому выводу привели исследования распределения гигантских молекулярных облаков (ГМО), начатые еще лет двадцать назад. Эти облака, с массой в сотни тысяч солнечных масс, в основном состоят из молекулярного водорода и наблюдаются на длине волны 2.6 мм, на которой излучают содержащиеся в них молекулы СО. Поскольку ГМО содержат наиболее плотный газ, именно в них и идет процесс звездообразования. Так что эти облака весьма тесно связаны с ассоциациями звезд, спектральных классов О и В (ОВ-ассоциации), и спиральными рукавами, как это непосредственно наблюдается в других галактиках.

В 1985-1988 годах американский астроном Д. Грабельский и его коллеги исследовали распределение ГМО в IV квадранте галактических долгот (270-360 градусов). Причем расстояния до большинства из них удалось определить по связанным с этими гигантскими молекулярными облаками областями НI (в свою очередь, эти расстояния известны нам по возбуждающим их свечение близлежащим звездам спектрального класса О). Эти ГМО выстраивались вдоль спирального рукава, и с углом закручивания в десять градусов этот рукав соединялся с цепочкой ГМО в I квадранте долгот (0-90 градусов), изученной ранее Кохеном и другими американскими астрономами, тем самым образуя единый рукав длиной в 40 кпк. Околосолнечная часть этого рукава проходит через оптический сегмент, известный как рукав Киля-Стрельца и угол закручивания в 20 градусов для этого сегмента может быть лишь локальной особенностью этого рукава.

Интересная деталь: на рисунках, опубликованных Д. Грабельским и его коллегами в 1987 году, видно, что ГМО сидят как косточки в сливе в центрах гораздо больших конденсаций сверхоблаков нейтрального водорода HI. Причем наблюдается поразительная регулярность (кстати, не отмеченная авторами!) в распределении как ГМО, так и облаков HI (а значит и связанных с ними О-ассоциаций и молодых звездных скоплений) вдоль рукава, подобная найденной Элмегринами для ряда других галактик.

Недавно мы нанесли положение сверхоблаков нейтрального водорода HI в галактической плоскости, снимая долготы их центров непосредственно с рисунков Д. Грабельского и других, и принимая полученные ими же расстояния для ГМО, лежащих вблизи центров сверхоблаков. Для первого квадранта такие данные уже были опубликовали Б. и Д. Элмегринами в виде таблицы и оставалось только нанести их на рисунок. Получилась, конечно, та же длинная ветвь (40-кпк), что и по ГМО, но регулярность расположения сверхоблаков HI, а значит и связанных с ними газо-звездных комплексов, вдоль этого рукава теперь стала видна с полной отчетливостью. Это доказывает, что, по крайней мере, данный рукав относится к волновым. То есть он порожден спиральной волной плотности звезд и газа.

К сожалению, по-прежнему очень трудно что-либо утверждать об остальных рукавах нашей Галактики. Наличие одного длинного рукава, казалось бы, подсказывает положение второго, симметричного ему, но предварительные данные о положении гигантских молекулярных облаков во всей Галактике, опубликованные недавно американским астрономом Л. Бронфманом, этого не подтверждают. Второй рукав, если и существует, то размытый и неправильный. Если же потребовать, чтобы все сверхоблака HI и наибольшие ГМО лежали в пределах того или иного рукава, то обойтись без предположения о наличии четырех рукавов будет не так-то просто.

Во всяком случае, выделяемая в окрестностях Солнца по молодым звездным скоплениям ветвь Лебедь-Орион, без сомнения, является лишь ответвлением от всегалактической ветви Киль-Стрелец. Ситуация с ветвью Персея обстоит несколько сложнее. Если в нашей Галактике рукавов два, то эта ветвь должна быть внутренним ответвлением от второго рукава, но обычно ответвления от последних идут наружу. Четырехрукавные галактики, однако, тоже редки, но все же встречаются.

Надежу на дальнейший прогресс наших исследований дает совершенствование техники наблюдения в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра, малочувствительном к поглощению света — они принесут данные о далеких цефеидах и скоплениях, а вместе с ними и более надежную шкалу расстояний. Неопределенность расстояний газовых облаков, получаемых кинематическими методами, все еще слишком велика. И возможно, некоторые облака, запутывающие нам картину сегодня, еще можно будет переставить когда-нибудь по лучу зрения...

---

Кривая вращения галактики - зависимость, отображающая скорость вращения ее составляющих (газа, звезд, пыли) от их расстояния до центра галактики.

Дифференциальное вращение галактики - вращение, при котором угловая скорость обращения ее составляющих различна и зависит от расстояния до центра. При таком вращении различные области галактики совершают полный оборот вокруг ее центра за разное время.

Газо-звездные комплексы - огромные, размером около 1 кпк, области звездообразования в галактиках.

Гигантские молекулярные облака - облака газа, состоящего в основном из молекулярного водорода (Н²) с примесями СО и других молекул, образующиеся и, как следствие, располагающиеся внутри сверхоблаков HI.

Облака НI - облака нейтрального водорода.

Области НI - облака водорода, ионизированного излучением рядом расположенных горячих звезд.

O-, ОВ-ассоциации - группировки молодых звезд спектральных классов О или О и В , более разреженные и массивные, чем звездные скопления.