На одних знімках галактики схожі на закручені мушлі, на інших — на гладкі світлі овали або нерівні клаптики світла. Чому гравітація, яка діє всюди, не зібрала їх в однакові кулі?
Форма галактики залежить від руху її речовини, газового запасу та історії взаємодій; видимий силует додатково змінює напрямок нашого погляду. Галактика — велика гравітаційно зв’язана система зір, газу, пилу й інших складових. Вона не тверде тіло: різні її частини рухаються різними орбітами. Тому одна лише сила тяжіння не задає єдиної форми. NASA: типи галактик.
Спочатку повернімо ту саму галактику
Уявіть круглу тарілку. Якщо дивитися прямо на її поверхню, видно коло. Нахиліть — побачите овал. Майже з ребра вона стане вузькою смугою. З тарілкою нічого не сталося: змінилася проєкція, тобто її двовимірний образ.
Так само спіральна галактика має плаский диск, у якому можуть бути помітні рукави. З ребра їхній візерунок часто прихований: зоряне світло накладається вздовж лінії зору, а пил може створити темну смугу. Вузька галактика на фото тому не є автоматично окремим «голкоподібним» видом. NASA: рукави та ракурс.
На схемі змінюється лише нахил одного умовного диска. Його речовина не перебудовується, і жодна панель не є пізнішою стадією життя.
Майже зверху
Нахил i: 0°
Відношення осей b/a: 1
Нахилений диск
Нахил i: 60°
Відношення осей b/a: 0,50
Майже з ребра
Нахил i: 80°
Відношення осей b/a: 0,17
Три проєкції одного ідеального тонкого круглого диска при i = 0°, 60°, 80°. Кут відлічуємо від перпендикуляра до диска. Це геометрія, а не три віки чи три типи галактик. Потовщення, пил і справжня товщина тут не показані; рукави умовні.
Проте ракурс пояснює не все. Справжня еліптична галактика — не просто спіраль, яку повернули невдалим боком. Треба з’ясувати, як зорі розподілені в просторі й як вони рухаються.
Відгалуження · ГеометріяНеобов’язково · можна пропустити
Наскільки пласким стане коло на зображенні
Для ідеального нескінченно тонкого круглого диска відношення малої видимої осі b до великої a дорівнює
(b)/(a) = cosi.
Кут i відлічуємо від напрямку, перпендикулярного до диска: 0° означає погляд зверху, 90° — з ребра. При i = 60° маємо b/a = 0,5, а при 80° — приблизно 0,17. Це власний геометричний приклад, не вимір реальної галактики.
Реальна система має товщину, центральне потовщення, пил і нерівномірне світло; диск може бути не круглим. Тому формула сама по собі не визначає тип галактики й не дає надійного нахилу для довільного овального зображення.
Газ може втрачати енергію й осідати в диск
У газі частинки взаємодіють, виникають ударні хвилі; нагріта речовина може віддавати енергію випромінюванням. Якщо газ охолоджується, частина невпорядкованих рухів слабшає й він може збиратися щільніше. Але це не означає безперешкодного падіння всього газу в одну точку.
Якщо система має загальний обертальний рух, він не зникає лише через охолодження. Цю властивість описує момент імпульсу. Газ може обмінюватися ним між різними частинами системи та з оточенням; водночас упорядковане обертання допомагає утримувати протяжний диск. З газу такого диска народжуються зорі, які успадковують його загальний рух. Barnes: будова й еволюція дискових галактик.
Самі зорі зазвичай не зіштовхуються між собою так часто, як частинки газу. Вони не можуть просто втратити енергію своїх орбіт газовим способом і всі «осісти» в тонку площину. Тому важливо не лише скільки речовини є, а й у якому стані вона була, коли утворилися зорі.
Тарілка допомагала уявити проєкцію, але її аналогія тут закінчується. У галактиці немає твердої поверхні, що механічно утримує зорі, а різні радіуси не обертаються як частини жорсткого колеса.
Спіральні рукави — візерунок у рухомому диску
У спіральній галактиці обертання диска поєднується з нерівномірним розподілом речовини. Гравітація підсилює певні згущення, газ перетікає й стискається, а молоді яскраві зорі підкреслюють частини візерунка. Старші зорі теж є в диску: між рукавами не порожні щілини. NASA: зорі, газ і рукави.
Не варто уявляти рукав як жорстку стрічку з назавжди прикріпленими до неї зорями. У різних моделях рукави можуть бути хвилеподібними згущеннями або структурами, що змінюються, розпадаються на сегменти й виникають знову. На них також впливають центральний бар — видовжене зоряне утворення — і тяжіння сусідньої галактики. Єдине просте пояснення для всіх спіралей не встановлене. Dobbs і Baba: огляд механізмів спіральної структури.
Саме тому популярне порівняння із затором корисне лише для частини моделей: візерунок може рухатися інакше, ніж окремі учасники. Воно не означає, що всі рукави — однакова незмінна хвиля або що зорі буквально гальмують як автомобілі.
Коли рухи менш упорядковані, зоряна система стає об’ємнішою
В еліптичних галактиках зорі розподілені в об’ємній, часто овальній системі й рухаються по орбітах різних напрямків. Така система не потребує тонкого диска, у якому всі зорі обертаються майже разом. Вона може загалом обертатися; «різні напрями» не означають повної відсутності обертання. Її гладке світло зазвичай визначають старі зоряні популяції, а холодного газу для нового зореутворення часто мало. Це не твердження, що в ній немає жодного газу. NASA: еліптичні галактики.
Взаємодії можуть змінювати зоряні орбіти. Під час сильного злиття змінюється гравітаційне поле, диски можуть порушуватися, а рухи зір — ставати менш узгодженими. Газ водночас може стискатися й утворювати нові зорі. Але результат залежить від мас, орбіт і газу: не кожна зустріч знищує диск і не кожна еліптична система має одну й ту саму історію. Barnes: злиття та подальша доля дисків.
Лінзоподібні галактики, або S0, мають диск і центральне потовщення, проте без виразних спіральних рукавів. Запас холодного газу й активність зореутворення в них часто невеликі. Це корисний контрприклад: диск і спіральний візерунок — не одне й те саме. До схожого вигляду можуть вести різні процеси, зокрема зміни газового живлення та взаємодії. NASA: лінзоподібні системи.
Неправильна форма теж не розповідає всю історію
Неправильні галактики не мають виразної спіральної або гладкої еліптичної структури. У деяких випадках тяжіння сусіда витягує речовину в хвости й порушує симетрію. В інших помітні нерівномірні ділянки газу та зореутворення. Сам термін описує вигляд; він не є доказом, що система щойно зіткнулася або тільки народилася.
Наприклад, неправильна карликова галактика UGC 4459 містить і молоді, і старші зорі. Її незграбний силует не робить усі зорі ровесниками. ESA/Hubble: неправильна галактика UGC 4459.
Важливо також розрізняти карту світла й карту маси. Невелика кількість молодих яскравих зір може сильно виділятися на фотографії, а пил приховує частину світла. Тому астрономи доповнюють зображення вимірюваннями рухів і спостереженнями в інших діапазонах. Один силует не відновлює однозначно просторову будову та минуле.
Класифікація допомагає порівнювати, а не вгадувати вік
На знаменитій діаграмі «камертона Габбла» типи розкладені поруч за морфологічними ознаками — тобто за видимою будовою. Це не єдина доведена послідовність, якою кожна галактика проходить від еліптичної до спіральної або навпаки. Система може змінюватися, але форма сама по собі не задає її маршруту й годинника. ESO: що означає камертон Габбла.
Спробуйте передбачити: якщо повернути до нас ребром газовий спіральний диск, чи стане він еліптичною галактикою? Ні. Зміниться зображення й видимість рукавів, а не орбіти зір і просторова будова. Щоб довести справжнє перетворення, потрібні зміни самої системи.
Різні форми — сліди різних рухів, газових умов та взаємодій, побачені під різними кутами. Порівнюючи наступні галактичні знімки, спершу запитайте: що я бачу — рукави, диск, потовщення, пил чи лише загальний овал? А потім — яких даних про рух і газ бракує, щоб пояснити цей вигляд.