VIVOS VOCO: В.Г. Сурдин, "Куда направлены спиральные рукава галактик?"

Куда направлены спиральные рукава галактик?

В.Г. Сурдин,
кандидат физико-математических наук
Государственный астрономический институт им.П.К. Штернберга (МГУ)
Москва

Многие годы спиральная галактика NGC 4622, повернутая к нам почти плоскостью, считалась эталоном для подобного рода звездных систем. В 1982 г. известный англо-американский астроном Маргарет Бербидж описала ее как “бесподобно симметричную” галактику, а крупный американский астрофизик Фрэнк Шу при разработке своей теории спиральных галактик приводил в пример именно NGC 4622 за ее “изумительную спиральную картину, состоящую из двух отстающих спиральных рукавов”. Действительно, у этой галактики хорошо видны два симметричных спиральных рукава, которые, удаляясь от центра системы, закручиваются по часовой стрелке. Но опережают они вращение галактики или отстают от него (что принципиально для теории спиральной структуры), можно решить, лишь зная направление вращения галактического диска.

Спиральная галактика NGC 4622.
Фото космического телескопа “Хаббл”

Задача эта не из простых. Изучив оптические спектры разных частей галактики, измерив в них голубое и красное смещение линий, нетрудно по эффекту Доплера определить, какая область диска приближается к нам, а какая - удаляется. Однако чтобы понять, закручиваются спиральные ветви или раскручиваются, нужно еще знать, которая часть диска галактики лежит ближе к нам. В принципе сделать такой выбор можно по внешнему виду галактики - скрупулезное его изучение помогает установить, как расположены темные пылевые облака, заслоняющие более далекие звезды. Для галактик, повернутых к нам почти ребром, эта задача решается без труда. Но поскольку диск NGC 4622 мы видим почти “анфас”, для надежного определения его вращения требуются бOльшие усилия. И астрономы до поры до времени не предпринимали их, уверенные, что столь совершенная система непременно должна вращаться в соответствии с общепринятой теорией - против часовой стрелки, демонстрируя нам закручивающиеся (отстающие) рукава.

Первый звонок прозвучал в 1989 г., когда астроном из Алабамского университета (США) Джин Берд заметил, что кроме двух внешних спиральных рукавов у галактики NGC 4622 есть менее заметный одиночный внутренний рукав, закрученный в противоположном направлении: удаляясь от ядра галактики, он обходит его против часовой стрелки. Внешние рукава в изобилии содержат яркие газовые туманности, поэтому они хорошо видны; внутренний же рукав состоит исключительно из звезд и выглядит не очень контрастным. Открытие Берда сразу перевело галактику NGC 4622 из разряда эталонных в разряд уникальных, поскольку две системы спиральных рукавов в одной галактике, закрученных в противоположных направлениях, - явление крайне редкое. С новой силой разгорелся старый спор.

Дело в том, что среди астрономов спор о направленности спиральных рукавов галактик идет уже более полувека, порою напоминая классический спор остроконечников с тупоконечниками. Крупнейший авторитет в области галактической динамики шведский астроном Бертиль Линдблад (1895-1965) заключил в 1941 г., что спиральные рукава лидируют в полете, т.е. тянутся от ядра в направлении вращения диска. Однако в 1943 г. не менее известный американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) привел аргументы, свидетельствующие, что рукава отстают или, как тогда говорили, “волочатся” за вращающимся диском.

В 1958 г. выдающийся специалист по внегалактической астрономии, англо-австрало-американский исследователь Жерар де Вокулер (1918-1995), казалось, поставил точку в данном вопросе: все изученные им галактики имели отстающие спиральные рукава. В целом это устроило и теоретиков, построивших волновые модели таких рукавов. Но позже дискуссия возобновилась, поскольку были найдены “подозрительные объекты” [1]. А обнаружение у галактики NGC 4622 двух систем спиральных ветвей, закрученных в разные стороны, окончательно обнажило проблему: куда бы ни вращался галактический диск, одна из спиралей будет отстающей, другая - лидирующей.

Пытаясь объяснить этот феномен, Берд с коллегами в 1993 г. построил компьютерную модель спиральной галактики, сквозь которую, в плоскости ее диска, пролетает другая небольшая звездная система. Удалось так подобрать параметры модели, что у основной галактики после встречи с соседкой возникали внешний спиральный узор с отстающими рукавами и один внутренний лидирующий рукав. На фото рядом с NGC 4622 был даже обнаружен “подозреваемый” - маленькая галактика, которая недавно могла пролететь сквозь свою крупную соседку. Казалось, проблема решена. Но хорошую теорию, как всегда, “испортили” новые наблюдения. Их необходимо было провести, поскольку модель Берда предсказывала, что диск галактики NGC 4622 должен вращаться против часовой стрелки. Проверить это было нелегко; к счастью, в конце 90-х появилась возможность детально изучить эту галактику с помощью нового оборудования, установленного на космическом телескопе “Хаббл” (НАСА).

Строение галактики.
Вид модели галактики NGC 4622 через 390 млн лет
после пролета ее небольшой соседки вдоль галактической плоскости.

Анализ детальных космических снимков и спектров, измеренных с Земли, дал ошеломляющий результат: вопреки теоретическому прогнозу галактика вращается не против, а по часовой стрелке! Ее внешние спиральные рукава - это лидирующая спираль, а не отстающая! А как же теория? Очевидно, что-то не было учтено. При математическом моделировании распределение массы в диске галактики предполагалось обычным, как у большинства нормальных галактик. При таком строении линейная скорость вращения всех частей диска почти не зависит от их расстояния до центра галактики, а угловая скорость, естественно, уменьшается с удалением от центра. Собственно, в этом и состоит основная причина появления отстающих спиральных рукавов. Но может быть, именно предположение о строении диска NGC 4622 было ошибочным? Решили проверить.

Вид модели галактики NGC 4622 через 390 млн лет после пролета
ее небольшой соседки вдоль галактической плоскости.

Измерить скорость вращения галактики удается лишь в тех местах ее диска, где есть газ: в спектре ярких туманностей видны четкие линии. В центральной области NGC 4622, где располагается одиночный отстающий рукав, газа мало, поэтому астрономам удалось лишь с некоторой долей уверенности определить, что скорость вращения диска в этой области почти постоянна, а значит, угловая скорость уменьшается с удалением от ядра. Зато в области лидирующих внешних рукавов много ярких облаков газа, спектры которых позволили надежно измерить скорость вращения диска. Оказалось, что здесь скорость вращения резко растет к наружным областям - очень редкая особенность именно этой галактики - так резко, что с удалением от ядра возрастает даже угловая скорость! Рассчитанная с учетом этого математическая модель пролета соседки сквозь диск NGC 4622 отлично соответствует наблюдениям [2]: через некоторое время после пролета под действием гравитационного возмущения в ней возникли две внешние лидирующие и одна внутренняя отстающая спирали *.

* Подробную презентацию доклада на эту тему можно найти на сайте Р. Бюта (http://bama.ua.edu/~rbuta/ngc4622/).

Но радоваться рано. Хотя теорию удалось согласовать с наблюдениями, проблемы остались. Во-первых, настораживает довольно искусственный подбор модели, в которой лишь “точный выстрел” маленькой галактикой обеспечивает рождение наблюдаемой спиральной структуры в крупной системе. Для одной-единственной галактики с трудом, но можно принять уникальную модель. Но буквально недавно Берд с коллегами обнаружил еще одну звездную систему (ESO297-27) с двумя противоположно закрученными спиральными узорами. Так что об уникальности уже говорить не приходится.

А во-вторых, требуется понять природу вещества, сосредоточенного на периферии диска NGC 4622 и обеспечивающего резкое увеличение скорости вращения. Чтобы удержать внешнюю часть диска от разлета, вещества этого должно быть очень много, но его не видно. Опять загадочная невидимая масса, все чаще заявляющая о себе в астрономии! Пора бы уже раскрыть ее секрет.

Литература

1. Паша И.И. // Историко-астрономические исследования. 2002. Вып.27. С.102-156.

2. Byrd G., Freeman T., Buta R. // American Astronomical Society Meeting. 2002. V.201. ?13-14.