Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

25.2: Спіральна структура

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    78201

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання

    До кінця цього розділу ви зможете:

    • Опишіть будову Галактики Чумацького Шляху і як астрономи її відкрили
    • Порівняння теоретичних моделей формування спіральних плечей в дискових галактиках

    Астрономи змогли досягти величезного прогресу в картографуванні спіральної структури Чумацького Шляху після відкриття 21-сантиметрової лінії, яка походить від прохолодного водню (див. Між зірками: газ і пил у космосі). Пам'ятайте, що затемнюючий ефект міжзоряного пилу заважає нам бачити зірки на великих відстанях в диску на видимих довжині хвиль. Однак радіохвилі довжиною хвилі 21 см проходять прямо крізь пил, дозволяючи астрономам виявляти атоми водню по всій Галактиці. Більш пізні дослідження інфрачервоного випромінювання від зірок на диску забезпечили подібну безпилову перспективу зоряного розподілу нашої Галактики. Незважаючи на весь цей прогрес за останні п'ятдесят років, ми все ще тільки починаємо закріплювати точну структуру нашої Галактики.

    Герб Чумацького Шляху

    Наші радіоспостереження газоподібного компонента диска вказують на те, що Галактика має дві основні спіральні руки, які виходять із штанги, і кілька слабких рук та коротших шпор. Ви можете побачити нещодавно зібрану карту структури рук нашої Галактики, отриману в результаті досліджень в інфрачервоному діапазоні - на малюнку\(\PageIndex{1}\).

    альт
    Малюнок\(\PageIndex{1}\) Чумацький шлях Бар і зброя. Тут ми бачимо Галактику Чумацького Шляху так, як вона виглядала б зверху. Це зображення, зібране з даних місії NASA WISE, показує, що Галактика Чумацького Шляху має скромну планку в центральних регіонах. З кінців бруска виходять дві спіральні руки, Скутум-Центавр і Персей, і обертаються навколо опуклості. Стрілець і Зовнішня зброя мають менше зірок, ніж дві інші руки.

    Сонце знаходиться біля внутрішнього краю короткої руки під назвою Шпора Оріона, яка має довжину близько 10 000 світлових років і містить такі помітні риси, як Лебідний розлом (велика темна туманність влітку Чумацького Шляху) і яскрава туманність Оріона. \(\PageIndex{2}\)На малюнку показано кілька інших об'єктів, які поділяють цю невелику ділянку Галактики з нами і їх легко побачити. Пам'ятайте, чим далі ми намагаємося дивитися з власної руки, тим більше пилу в Галактиці накопичується і ускладнює видиме світло.

    альт
    Малюнок\(\PageIndex{2}\) Оріон Шпора. Сонце знаходиться в Orion Spur, який являє собою незначну спіральну руку, розташовану між двома іншими руками. На цій схемі білі лінії вказують на деякі інші примітні об'єкти, які поділяють цю особливість Галактики Чумацького Шляху з Сонцем.

    Формування спіральної структури

    На відстані Сонця від свого центру Галактика не обертається, як суцільне колесо або компакт-диск всередині вашого плеєра. Натомість те, як окремі об'єкти обертаються навколо центру Галактики, більше схожий на Сонячну систему. Зірки, а також хмари газу і пилу підкоряються третьому закону Кеплера. Об'єкти, що знаходяться далі від центру, займають більше часу, щоб завершити орбіту навколо Галактики, ніж ті, що знаходяться ближче до центру. Іншими словами, зірки (і міжзоряна матерія) на більших орбітах в Галактиці стежать за тими, у менших. Цей ефект називається диференціальним галактичним обертанням.

    Диференціальне обертання, здається, пояснює, чому так багато матеріалу в диску Чумацького Шляху зосереджена в витягнутих рисах, які нагадують спіральні руки. Незалежно від того, яким може бути початковий розподіл матеріалу, диференціальне обертання Галактики може розтягнути його на спіральні функції. \(\PageIndex{3}\)На малюнку показано розвиток спіральних плечей з двох нерегулярних плям міжзоряної речовини. Зверніть увагу, що коли частини краплин, найближчих до галактичного центру рухаються швидше, ті, що далі, слід позаду.

    альт
    Рисунок\(\PageIndex{3}\): Спрощена модель формування спіральних плечей. Цей ескіз показує, як спіральні руки можуть утворюватися з нерегулярних хмар міжзоряного матеріалу, розтягнутого різною швидкістю обертання по всій Галактиці. Регіони, віддалені від галактичного центру, займають більше часу, щоб завершити свої орбіти і, таким чином, відстають від внутрішніх областей. Якби це був єдиний механізм створення спіральних плечей, то з часом спіральні плечі повністю накручувалися і зникли б. Оскільки багато галактик мають спіральні плечі, вони повинні бути довговічними, і для їх підтримки повинні бути інші процеси.

    Але ця картина спіральних рук представляє астрономам безпосередню проблему. Якби це все, що було в історії, диференціальне обертання - протягом приблизно 13-мільярдної історії Галактики - намотало б руки Галактики міцніше і жорсткіше, поки вся подобу спіральної структури не зникла. Але чи справді Чумацький Шлях мав спіральні руки, коли він утворився 13 мільярдів років тому? І чи спіральні руки, колись сформовані, тривають так довго?

    З появою космічного телескопа «Хаббл» стало можливим спостерігати за будовою дуже далеких галактик і бачити, якими вони були незабаром після того, як вони почали формуватися понад 13 мільярдів років тому. Спостереження показують, що галактики в дитинстві мали яскраві, незграбні області, що утворюють зірки, але не мають регулярної спіральної структури.

    Протягом наступних кількох мільярдів років галактики почали «осідати». Галактики, які повинні були стати спіралями, втратили свої масивні скупчення і розвинули центральну опуклість. Турбулентність в цих галактиках зменшилася, обертання стало домінувати над рухами зірок і газу, а зірки стали формуватися в набагато більш тихому диску. Менші зіркоутворюючі згустки почали утворювати нечіткі, не дуже чіткі спіральні плечі. Яскраві, чітко виражені спіральні руки почали з'являтися лише тоді, коли галактикам було близько 3,6 мільярда років. Спочатку було два чітко виражених герба. Багатозбройні структури в галактиках, як ми бачимо в Чумацькому Шляху, з'явилися лише тоді, коли Всесвіту було близько 8 мільярдів років.

    Більш детально про історію галактик ми обговоримо в «Еволюції та розподілі галактик». Але навіть з нашого короткого обговорення ви можете зрозуміти, що спіральні структури, які ми зараз спостерігаємо у зрілих галактиках, з'явилися пізніше в повній історії про те, як розвиваються речі у Всесвіті.

    Вчені використовували суперкомп'ютерні розрахунки для моделювання формування та еволюції зброї. Ці розрахунки слідують за рухами до 100 мільйонів «зіркових частинок», щоб побачити, чи можуть гравітаційні сили змусити їх утворювати спіральну структуру. Ці розрахунки показують, що гігантські молекулярні хмари (про які ми говорили в Між зірками: газ і пил у космосі) мають достатній гравітаційний вплив на їх оточення, щоб ініціювати формування структур, схожих на спіральні плечі. Потім ці зброї стають самоувічненими і можуть вижити щонайменше кілька мільярдів років. Руки можуть змінювати свою яскравість з часом, коли зіроутворення приходить і йде, але вони не є тимчасовими рисами. Концентрація речовини в руках надає достатню гравітаційну силу, щоб тримати руки разом протягом тривалих періодів часу.

    Ключові поняття та резюме

    Газоподібний розподіл в диску Галактики має дві основні спіральні плечі, які виходять з кінців центральної планки, разом з декількома слабкими руками та короткими шпорами; Сонце розташоване в одній з цих шпор. Вимірювання показують, що Галактика не обертається як тверде тіло, а натомість її зірки і газ слідують диференціальному обертанню, таким чином, що матеріал ближче до галактичного центру швидше завершує свою орбіту. Спостереження показують, що галактики, подібні Чумацькому Шляху, займають кілька мільярдів років після того, як вони почали формуватися, розвиваючи спіральну структуру.

    Глосарій

    диференціальне галактичне обертання
    ідея про те, що різні частини Галактики обертаються з різною швидкістю, оскільки частини Галактики дотримуються третього закону Кеплера: більш віддаленим об'єктам потрібно більше часу, щоб завершити одну повну орбіту навколо центру Галактики
    спіральний важіль
    спіралеподібна область, що характеризується відносно щільним міжзоряним матеріалом і молодими зірками, що спостерігається в дисках спіральних галактик