Астрономи намагаються зрозуміти, як формуються спіральні руки галактик

Спіральні галактики, такі як класична галактика Водоворот (M51), є одними з найбільш впізнаваних об'єктів у Всесвіті. Вперше вона була ідентифікована як спіральна у 1845 році, коли астрономи вважали їх спіральними туманностями, не знаючи про існування інших галактик. Лише в 1920-х роках Едвін Хаббл довів, що існують інші галактики.

Сьогодні ми знаємо про кілька сотень тисяч спіральних галактик, хоча точна кількість невідома.

Спіральні галактики виглядають просто, але насправді їх формування залишається загадкою. Зірки та газ у спіральних руках, здається, обертаються навколо центру галактики, але це пояснення не працює. Внутрішні області диска галактики обертаються швидше, ніж зовнішні спіральні руки, тому за кілька обертів протягом сотень мільйонів років спіральні руки повинні були б закрутитися так щільно, що спіраль зникла б.

Оскільки цього не відбувається, необхідно шукати інше пояснення. Це призвело до теорії хвиль щільності, яка описує спіральні руки як хвильовий патерн, схожий на затор. Затори залишаються, але автомобілі, що їх складають, постійно змінюються. Теорія хвиль щільності пояснює деякі спостереження спіральних галактик, але не все. Вона не може пояснити, чому руки існують так довго, адже фізичні сили мали б їх загасити.

Астрономи досліджують, як формуються спіральні галактики та їх руки, а також чому деякі з них мають дві, три або більше рук. Відповідь на це питання може допомогти зрозуміти загальніші питання.

Нове дослідження, опубліковане в журналі The Astrophysical Journal, під назвою "Кількість спіральних рук галактик у порівнянні з концентрацією та масою: перший погляд з Euclid", базується на нових спостереженнях за допомогою космічного телескопа Європейського космічного агентства Euclid. Головний автор, професор Беверлі Сміт з Університету Східного Теннессі, зазначила: "Спіральні галактики є одними з найбільш впізнаваних об'єктів у Всесвіті, але ми ніколи повністю не розуміли, чому вони розвивають різну кількість спіральних рук. Досліджуючи тисячі галактик, ми починаємо ідентифікувати патерни, які показують, як ці системи формувалися і еволюціонували протягом мільярдів років."

Космічний телескоп Euclid був запущений два роки тому для вивчення розширення Всесвіту. Він вимірює червоне зміщення галактик до z=2, що відповідає приблизно 10 мільярдам років тому. Метою є визначити зв'язок між темною енергією та швидкістю розширення Всесвіту. Але ці ж спостереження також дозволили Euclid розрізнити спіральні руки галактик, що знаходяться на відстані мільярдів світлових років. Астрономи змогли побачити, як спіральні галактики виглядали мільярди років тому.

"Спіральні галактики можна поділити на класи залежно від кількості рук і структури рук," пишуть дослідники. "Галактики з grand design мають дві довгі безперервні руки, багато-рукі галактики мають три або більше відносно довгих рук, а флокулянтні галактики мають багато коротких фрагментів рук."

У своїй роботі дослідники порівняли двох- і трьох-рукі спіралі. "Використовуючи інформацію з каталогів Euclid Quick Data Release 1, ми порівнюємо двох- і трьох-рукі спіральні галактики, як їх класифікує програмне забезпечення Euclid Zoobot," зазначають автори. Дані Euclid також містять інформацію про маси зірок, концентрації та швидкості утворення зірок (SFR).

Дослідники виявили понад 380,000 галактик у даних, і після фільтрації деяких з них, у яких кількість рук була невизначеною, вони дійшли до певних висновків. "Приблизно 60%-70% спіралів Euclid мають дві руки, а близько 15%-20% - три руки. Одно-рукі галактики рідкісні, з низькими масами в порівнянні з двох-рукими спіралями," зазначають автори. "Лише близько 1% спіралів у нашій вибірці класифікуються як одно-рукі," додають вони. Решта, близько 20%, виключені через невизначеність у кількості рук.

Дослідники також виявили, що спіральні галактики з великими центральними виступами, включаючи Чумацький Шлях, зазвичай мають дві домінуючі спіральні руки. "Галактики з великими виступами, як правило, мають зменшені криві обертання, що, в свою чергу, створює велику швидкість зсуву, що сприяє формуванню двох-руких морфологій," пояснюють автори.

Проте галактики з менш масивними центрами зазвичай мають багато рук. Ці результати узгоджуються з комп'ютерними симуляціями. "Ці результати узгоджуються з теоретичними моделями та симуляціями, які показують, що двох-рукі галактики є переважними, коли виступ помітний," пишуть автори.

Дослідження розширює наше розуміння спіральних галактик і дає деякі уявлення про їх формування. Проте є й застереження. "Небагато галактик є справді повністю двох- або трьох-рукими (або повністю чотирьох-рукими), натомість існує континуум морфологій, з гілками та спуртами, які є звичайними," пишуть автори, додаючи, що "структура спіральних рук є більш складною, ніж три прості категорії grand design, багато-рукі та флокулянтні."

Інші дослідники розробили більш детальну систему ідентифікації галактик, що включає 12 категорій. "Додаткова інформація, яку надають ці 12 категорій, може бути корисною для дослідження питань про походження та еволюцію спіральних патернів у галактиках," пояснюють дослідники. Але реалізувати це в рамках великого дослідження, як Euclid, буде дуже складно.

Спіральні руки галактики формуються під впливом концентрації матерії, включаючи темну матерію. Підрахунок спіральних рук у галактиках може допомогти оцінити, скільки темної матерії присутнє в їх центрах, відповідно до дослідників.

"Кількість спіральних рук виявилася більш ніж просто цікавою характеристикою – вона відображає те, що відбувається глибоко всередині самої галактики," сказала Сміт. "Це захоплююче, оскільки дає нам ще один інструмент для розуміння частин Всесвіту, які ми не можемо спостерігати безпосередньо, таких як темна матерія."

Це дослідження саме по собі не може відповісти на питання, як формуються спіральні руки та підтримують себе протягом тривалого часу. Але воно містить деякі натяки. Двох-рукі (схожі на grand-design) спіралі домінують у масовому діапазоні та червоному зміщенні в цій роботі. Це підтримує ідею, що масивні та стабільні диски більш схильні підтримувати стабільний двох-рукий патерн. Три-рукі галактики, яких значно менше, більше узгоджуються з ідеєю, що спіральні руки є транзитними або повторюваними.

Можливо, існують два підтипи двох-руких спіралів. Можливо, деякі з них є транзитними, тоді як інші – довговічними, згідно з авторами. "Використання більш детальної морфологічної класифікації для спіральних патернів у галактиках може призвести до кращого розуміння різних процесів, що беруть участь у створенні та підтримці спіральних патернів у галактиках," пишуть дослідники. "Глибше вивчення тонких варіацій у спіральних структурах та фізичних властивостях галактик, обраних різними методами, може призвести до корисних висновків.