Спиральные ветви галактик, пожалуй, самое живо­писное из космических явлений. У них сложный рисунок, динамичная форма и огромное многообразие структур при единстве главных черт. Излучение, исходящее от спи­ральных ветвей, составляет большую часть излучения всей спиральной галактики, определяет общий вид звездной системы. Неудивительно поэтому, что спиральным ветвям галактик посвящено много исследований. Изучались их геометрические формы путем сравнения с известными в математике видами спиральных линий, например, со спиралью Архимеда или логарифмической спи­ралью.

По-видимому, большая часть спиральных структур галактик напоминает логарифмическую спираль, но это сходство не настолько значительное, чтобы его можно было использовать для динамических и космогонических выводов.

Для выяснения сущности явления спиральных ветвей необходимо определить механизм их образования. Какая причина, какая сила вынуждает материю располагаться вдоль спиральных линий? Почему спиральные ветви ус­тойчивы, не распадаются в течение сотен миллионов или даже миллиардов лет?

Первая гипотеза образования спиральных ветвей при­надлежала Джинсу. Она основывается на предположении, что ядра галактик состоят из газа, а не из звезд, поэтому в наши дни гипотеза Джинса не может претендовать на достоверность.

Вторая гипотеза была подробно разработана шведским астрономом Линдбладом. Линдблад при помощи строгих математических методов показал, что в звездной, системе, имеющей форму сжатого эллипсоида вращения, т. е. та­кой, как у ядер галактик, па некоторой стадии развития образуется зона, недостаточной механической устойчиво­сти, располагающаяся у поверхности близ экватора. На­ступает момент, когда из некоторых точек вследствие не­устойчивости группы звезд срываются со своих, до этого круговых орбит и устремляются наружу, двигаясь по спиральной линии. Истечение потому происходит из двух противоположных точек, что дополнительный, хотя и не­большой, стимул к истечению звезд создается приблизив­шейся на некоторое расстояние другой галактикой. Тогда неустойчивость достигается в двух точках — бли­жайшей к соседней галактике и противоположной ей. Линдблад считает, что начавшееся истечение звезд не устраняет неустойчивости, а усиливает ее, поэтому про­цесс до определенного времени нарастает и значитель­ная часть массы ядра переходит в спиральные ветви.

Работая над проблемой происхождения спиральных ветвей галактик, Линдблад создал ценную математиче­скую теорию, обогатившую механику и звездную динами­ку. Ее методы могут успешно применяться для решения различных задач. Однако, как мы уже писали выше, воз­можность подробного обоснования гипотезы еще не обес­печивает ее правильности. Недостатком гипотезы Линдблада является ее механистичность. Она не учитывает наблюдаемых астрофизических особенностей спиральных ветвей. Как мы уже знаем, спиральную структуру опре­деляют звезды — горячие гиганты и сверхгиганты. Для того чтобы из ядра выбрасывались звезды именно этого типа, нужно, чтобы они в большом количестве населяли ядра галактик. Но ядра галактик, напротив, состоят из звездного населения II типа. Невозможно себе предста­вить, чтобы при выходе из ядра оно превращалось в звездное население I типа.

Из теории Линдблада следовало, что галактики долж­ны вращаться концами спиральных ветвей вперед, т. е. раскручиваясь. Это предсказание не оправдалось: наблю­дения показывают обратное — галактики закручиваются, т. е. вращаются концами ветвей назад.

Поэтому, отдавая должное значительному вкладу, вне­сенному в звездную динамику теорией Линдблада, сле­дует признать необходимым поиск других путей для объ­яснения спиральной структуры галактик.

Следующая гипотеза, магнитная, основывается на двух важных наблюдательных фактах: концентрации в спи­ральных ветвях диффузной материи и существовании у Галактики магнитного поля. Она опирается также на гипотезу образования звезд из газовой материи. Сторон­никами этой гипотезы являются английский астроном Хойл и некоторые другие исследователи.

Магнитное поле галактики непосредственно наблю­дать, конечно, нельзя, но о его существовании свидетель­ствует ряд признаков. Первым из них является поляри­зация света звезд, открытая около двадцати лет назад со­ветским астрономом В. А. Домбровским и американским астрономом Хильтнером. Оказалось, что свет звезд обыч­но на несколько процентов поляризован, т. е. световые волновые колебания происходят не в равной мере во всех плоскостях, проходящих через луч зрения, а преиму­щественно группируются у одной определенной плоско­сти. При этом степень поляризации в среднем тем выше, чем больше темной материи на пути луча, чем больше поглощение, испытанное светом звезды. Единственное объ­яснение, которое удалось дать этому явлению, состоит в том, что свет поляризуется пылинками темной материи, которые имеют удлиненную форму и ориентированы в пространстве не хаотично, а преимущественно в некото­ром направлении. Преимущественная ориентация пыли­нок может происходить лишь в том случае, если в Га­лактике имеется магнитное поле, а удлиненные пылинки обладают ферромагнитными или парамагнитными свой­ствами.

Вторым свидетельством в пользу существования маг­нитного поля Галактики являются космические лучи — заряженные тяжелые элементарные частицы высоких энергий, влетающие со всех сторон в земную атмосферу. Именно то обстоятельство, что космические лучи при­ходят на Землю равномерно со всех направлений, застав­ляет думать, что в Галактике имеется магнитное поле. В противном случае космические лучи двигались бы в в Галактике прямолинейно, как лучи света, и, как лучи света, они приходили бы только из определенных направ­лений — из тех, в которых находятся источники, их вы­брасывающие. Но космические лучи приходят равно­мерно из всех направлений. Это можно объяснить тем, что движение заряженных частиц отклоняется от прямо­линейного вследствие взаимодействия с магнитным полем Галактики. Возможно, как предположили советские астро­физики В. Л. Гинзбург и И. С. Шкловский, что мощные потоки заряженных тяжелых элементарных частиц вы­соких энергий образуются при вспышках сверхновых звезд. Если бы у Галактики не было магнитного поля, то эти движущиеся с огромными скоростями частицы пересекли бы Галактику и удалились во внегалактиче­ское пространство. Мы не наблюдали бы космических лучей или наблюдали бы их, в связи со вспышкой сверх­новой звезды, из определенного направления. Но магнит­ное поле Галактики является ловушкой для космических лучей, оно заставляет их сворачивать с прямого пути, двигаться по траекториям, витки которых находятся все время внутри нашей звездной системы. Поэтому заря­женные тяжелые частицы не только не покидают Галак­тику, но, по мере происходящих вспышек сверхновых звезд, постепенно накапливаются в ней.

Сейчас, после того как установлено, что в ядре NGC 3034 произошел взрыв, масштабы которого намного превосходят масштабы взрыва сверхновых звезд, можно предположить, что и в ядре нашей Галактики в прошлом произошел грандиозный взрыв, породивший, наряду с другими явлениями, мощный поток заряженных тяжелых элементарных частиц. Если бы у Галактики не было маг­нитного поля, эти частицы давно ушли бы во внегалакти­ческое пространство. Но магнитное поле их удержало, они заполнили объем Галактики, движутся в нем по раз­личным направлениям и некоторые из них, влетая в ат­мосферу Земли, вызывают в ней явления космических лучей.

Если в Галактике имеется магнитное поле, то согласно теории излучения в магнитном поле эмиссионная линия (21 см) нейтрального водорода должна обнаруживать тон­кое расщепление. Недавно английский астроном Дэвис и его сотрудники сумели наблюдениями подтвердить это предсказание. Правда, степень расщепления линии ука­зывает на напряженность магнитного поля Галактики около 5 * 10-6 Гс, в то время как для ориентирования удлиненных пылинок и удержания космических лучей в Галактике требуется напряженность магнитного поля поч­ти в десять раз большая. Это обстоятельство вызывает необходимость пересмотреть соответствующие теории. Тем не менее в результате исследования Дэвиса существова­ние магнитного поля Галактики, хотя и более слабого, чем ранее предполагали, доказано методом, который уже нельзя считать косвенным.

Согласно магнитной гипотезе в первоначальной газо­вой туманности образовалось магнитное поле, собравшее диффузную материю в два спиральных жгута вдоль маг­нитных силовых линий. Вследствие различной угловой скорости вращения Галактики на разных расстояниях от центра, магнитно-силовые трубки (жгуты) изогнулись и приняли спиральную форму. Здесь в областях повы­шенной плотности диффузной материи происходит интен­сивное звездообразование, поэтому в области спиральных ветвей много не только газа и пыли, но и молодых звезд — горячих гигантов и сверхгигантов, придающих спиральным ветвям их яркий рисунок. Этим объясняется, почему молодые звезды, в том числе горячие гиганты и сверхгиганты, расположены в спиральных ветвях. Магнитное поле способно удерживать разрешенную диффузную материю, но не плотные тела — звезды. По­этому после сформирования звезды постепенно выходят из спиральных ветвей я старые звезды уже с одинаковой вероятностью могут быть и в спиральных ветвях и вне их. Самые молодые звезды должны быть только в спи­ральных ветвях, а в пространстве между спиральными ветвями могут быть только старые звезды. Эти выводы соответствуют наблюдательным, данным.

Наибольшие трудности магнитной гипотезы связаны с тем, что наблюдения пока приводят к противоречивым данным о направлении магнитных силовых линий в раз­личных местах нашей звездной системы. Нельзя еще ут­верждать, что спиральные рукава действительно тянутся вдоль силовых линий магнитного поля Галактики.

Кроме того, различие периодов вращения разных областей Галактики велико и расчет показывает, что спиральные ветви должны были бы, закрутившись, опоясывать Галактику много раз, а не ½ — 1* ½   раза, как это обычно наблюдается. Еще одно возражение состоит в том, что наличие магнитного поля, связанного с диффуз­ной (газовой и пылевой) материей, должно препятство­вать ее конденсации, формированию из нее звезд,

В последнее время выдвинута новая гипотеза. Спиральные ветви — это движущиеся волны уплотнения в гравитационном поле плоской звездной системы. Как в море движется волна, а вода остается на месте, так и в Галактике, возможно, спиральные ветви лишь временно объединяют материю данного места, а затем смещаются и уплотняют материю другой области. Волна может захватить только звезды, имеющие малые индивидуальные скорости. Такими звездами являются горячие гиганты и сверхгиганты и другие объекты I типа населения. Звезды II типа населения имеют большие индивидуальные скорости; расчет показывает, что волны гравитационного поля не могут их удержать. Этим объясняется в волновой гипотезе строение спиральных ветвей из объектов I типа населения.

Волновая гипотеза происхождения спиральных ветвей галактик, предложенная американскими астрономами Лином и Шу, в настоящее время подробно теоретически раз­работана и находит большое число сторонников.

Пятая гипотеза — взрывная. Она опирается на явле­ния, свидетельствующие о большой физической активно­сти ядер галактик, и связана с предположением о фор­мировании звезд из сверхплотного вещества. Основные ее положения, высказанные В. А. Амбарцумяном, состоят в том, что спиральные ветви галактик формируются из вещества, выбрасываемого ядром галактики в результате взрывного процесса. Это вещество — сверхплотное и уже в области спиральных ветвей при продолжающемся про­цессе распада из него формируются звезды и попутно выделяется диффузная материя. Фактически вся материя ядра переходит в спиральные ветви.

Взрывная гипотеза мало разработана, так как физи­ческие свойства сверхплотного вещества неясны. Возмож­но, что встретятся трудности, связанные с необходимостью существования большого момента вращения у материи до ее выхода из ядра. Для того чтобы выброшенная материя и образованные ею спиральные ветви участвовали во вра­щении галактики так, как это показывают наблюдения, необходимо, чтобы сверхплотное ядро, из которого они были выброшены, вращалось исключительно быстро.

Шестая гипотеза — гипотеза взаимодействия, предло­жена американским цсследователем галактик Цвикки. Она предполагает, что при сближении двух или нескольких (неспиральных) галактик в результате гравитационного (или, возможно, иного) взаимодействия у них образуются направленные в сторону соседей и в противоположную: сторону длинные выступы материи. После того как встретившиеся галактики разойдутся, длинные выступы, отставая во вращении от основного тела (ядра), принима­ют форму спиралей. Недостаток этой гипотезы в том, что она не может объяснить различия типов звездного насе­ления ядра и спиральных ветвей галактик.

Наконец, английские астрономы Голд и Бонди вы­двинули предположение, что спиральные ветви галактик формируются из межгалактического газа, захватываемо­го галактиками при их движении в межгалактическом пространстве.

Столь большое число развиваемых в наши дни гипо­тез происхождения спиральных ветвей галактик показы­вает, что поставленная проблема далеко еще не разреше­на. Предпочтение нужно отдать магнитной, волновой и взрывной гипотезам, учитывающим астрофизическую сто­рону проблемы.

Приглашаем Вас обсудить данную публикацию на нашем форуме о космосе.