Правда ли, что все галактики крутятся одинаково? Оказалось, нет

Когда смотришь на все эти вылизанные фотки спиральных галактик, которые пачками постят NASA и Роскосмос, в голову приходит одна мысль: какая-то у них у всех подозрительно одинаковая, правильная форма. Красивые рукава, закрученных в идеальный вихрь...

Кажется, что все они устроены по одному и тому же лекалу, будто есть некий единый, фундаментальный закон, который их такими делает.

И долгое время в науке примерно так и считали. Были, конечно, разные теории, но общая логика сводилась к тому, что у «красивых» галактик должен быть один механизм, а у «некрасивых», рыхлых и клочковатых — другой. Но, как это обычно бывает, реальность оказалась сложнее.

И вот, группа учёных из СПбГУ, МГУ, и Пулковской обсерватории решила копнуть глубже и проверить, а не врёт ли нам эта космическая красота.

И, забегая вперёд, — да, ещё как врёт.

Две теории

Чтобы понять, в чём соль, нужно быстро разобраться в двух основных концепциях формирования этих спиралей.

Первая — теория волн плотности. Если совсем грубо, спиральный рукав — это не статичная структура из одних и тех же звёзд, а скорее волна уплотнения, которая бежит по галактическому диску. Это можно сравнить с тем, как болельщики на стадионе запускают «волну»: каждый человек просто встаёт и садится, но сама волна бежит по трибунам.

Так и здесь: отдельные звёзды и газ влетают в эту волну, задерживаются там и вылетают.

Сама волна при этом движется как единое целое, с постоянной скоростью. Это стабильная, долгоживущая структура, которая вращается как единое целое, будто твёрдый объект, а отдельные звёзды просто проходят сквозь неё.

Логично приписать такое галактикам с идеальными, чёткими рукавами (вот тут, кстати, можно самому посоздавать разные галактики с разными параметрами).

Вторая — теория динамических спиралей. Тут всё наоборот. Никакой единой волны нет. Рукава — это временные, хаотичные структуры, которые постоянно появляются и исчезают в разных частях диска. Можно провести аналогию со слэмом на рок-концерте: вот толпа завелась здесь, а через пять минут — уже в другом углу.

Так и рукав: сегодня он есть, а через каких-то пару сотен миллионов лет — его уже нет. Это чисто динамический, нестабильный процесс. Его логично было бы связать с галактиками с рваной, невнятной структурой.

Ключевой вопрос: как отличить одно от другого?

Ищем радиус коротации

Ключ к разгадке — штука под названием радиус коротации (CR). Это такое место в диске галактики, где скорость вращения звёзд совпадает со скоростью вращения самого спирального узора.

Логика тут простая. Если у галактики одна стабильная волна, то и этот радиус должен быть один, чётко определённый. Если же спирали возникают иначе — например, хаотично (динамические спирали) или это вообще несколько наложенных друг на друга узоров (мультиволновой режим), — то картина с CR будет другой. Зон синхронизации может быть несколько, они могут быть размыты или отсутствовать вовсе.

Если же там царит хаос, то единой скорости узора нет, и этот радиус либо не находится вовсе, либо его измерения размазаны по всему диску.

Учёные отобрали трёх подопытных с разной внешностью:

1. NGC 4321 (M 100): «Отличница». Классическая, почти идеальная спиральная галактика (всё как по учебнику). Главный кандидат на стабильную волну плотности.

2. NGC 3686: «Троечница». Галактика с не очень выразительными, тусклыми рукавами.

3. NGC 2403: «Двоечница». Клочковатая, рваная, явный кандидат на динамический хаос (флоккулентный тип).

Чтобы это проверить, астрономы использовали сразу три подхода. Анализировали движение газа (по радионаблюдениям), исследовали распределение звёзд разного возраста (по данным в ультрафиолете и инфракрасном свете), и применяли специальные алгоритмы для поиска радиусов коротации.

Для точного подсчёта они написали свою программу, которая вычленяет нужные зоны равных скоростей.

И вот что из этого вышло.

Всё не так, как кажется

Начали с самой красивой M 100. И тут же получили первый сюрприз — «отличница» оказалась самозванкой. Все попытки измерить у неё радиус коротации дали совершенно разные результаты. Вместо одной четкой зоны коротации, которую предсказывала теория для такой идеальной спирали, данные показали полный хаос.

Показания были разбросаны по всему диску. Это прямой признак того, что никакой единой, стабильной волны там нет. То есть её великолепные спиральные рукава, скорее всего, имеют динамическую природу.

Они могут быть временными сгустками, вызванными гравитационными взаимодействиями (например, с карликовыми соседями) или другими неустойчивостями внутри диска, а не долгоживущим «каркасом». Красота оказалась… сложнее, чем думали.

Зато у невзрачной NGC 3686 всё случилось ровно наоборот. Разные методы (включая новый анализ градиента возраста), как сговорившись, указали на одно и то же место. У неё обнаружился тот самый единственный и чёткий радиус коротации.

То есть именно она, а не M 100, стала живым примером классической теории волн плотности, и старая теория здесь нашла своё подтверждение.

Ну а самой интересной оказалась NGC 2403.

Она не была ни простой, ни хаотичной. Данные выявили не одну, а две, а возможно, и три различных зоны коротации! Это значит, что её структура — это не просто хаос, а сложная система из нескольких независимых спиральных узоров, каждый из которых вращается со своей скоростью.

То есть механизм здесь — мультиволновой. Разные волны накладываются друг на друга, и создают сложную, рваную (флоккулентную) структуру.

Такая-то «двоечница».

Что это меняет

Главный вывод, который следует из этой работы, прост и убийственен для старых представлений: внешний вид галактики никак не связан с тем, по какому физическому механизму живут её спиральные рукава. Идеальная форма может скрывать хаос, а за невзрачной внешностью может стоять идеальный порядок, как по учебнику.

Почему это не просто «ещё одно открытие»?

Во-первых, это ломает устоявшуюся, но слишком упрощённую картину мира. Галактики не такие уж и одинаковые, теперь нужно пересматривать классификацию и подходы.

Во-вторых, теоретики теперь могут по-новому моделировать эволюцию галактик на суперкомпьютерах. Раньше оно как было: пытались создать идеальную модель, похожую на M 100, и заставить её быть стабильной. Теперь ясно, что это тупиковый путь.

То есть модель M 100, наоборот, должна быть динамичной. А вот для отладки стабильных моделей есть реальный пример — NGC 3686. В общем, теперь есть с чем сверять свои виртуальные вселенные.

И сами спиральные рукава — не просто К Р А С И В О. Это ключевой элемент в жизни галактики. Если поймем, как они вообще там формируются, то это поможет разобраться и с гравитацией, и с тёмной материей (которая невидимо доминирует в галактиках), и с динамикой звёзд и газа в гигантских масштабах, недостижимых в лабораториях.

Если мы ошибались насчет спиралей, значит, наши модели галактик неполны или неточны.

Именно в рукавах галактик, когда сжимается газ (волной или динамическим сгустком), рождаются новые звёзды. Ну а если спирали формируются по-разному, то и эффективность, локализация и темпы звездообразования тоже разные. Это напрямую влияет на эволюцию галактики: как быстро она расходует газ, как меняется её химический состав, как растет её центральная часть (балдж) и прочее.

В общем, это исследование не даёт финального ответа, а, наоборот, ставит новый, куда более интересный вопрос: а почему так? Если не внешний вид, то что тогда определяет природу спиральных рукавов? Масса? Возраст? Наличие соседей? Теперь учёным предстоит искать ответы на эти вопросы.

Так что иногда простые и очевидные ответы на сложные вопросы чаще всего оказываются неверными, а Вселенная не любит простых решений.

И в этом, пожалуй, всё самое интересное.