Състав и структура на галактиките - Математика
5. Състав и структура на галактиките
В състава на галактиките, освен основния компонент - звездите, влизат още междузвезден газ и междузвезден прах.
Преди това учените смятаха, че пространството, в което се намират звездите, е абсолютна празнота. Само няколко астрономи от време на време повдигнаха въпроса за възможното поглъщане на светлина в междузвездната среда. И едва в самото начало на 20 век немският астроном Хартман убедително доказва, че пространството между звездите в никакъв случай не е митична празнота. Той е пълен с газ, но с много малка, но добре дефинирана плътност. Това изключително откритие, подобно на много други, е направено с помощта на спектрален анализ.
В продължение на почти половин век междузвездният газ се изучава главно чрез анализ на образуваните в него абсорбционни линии. Оказа се например, че доста често тези линии имат сложна структура, тоест те се състоят от няколко компонента, близки един до друг. Всеки такъв компонент възниква, когато светлината от звезда се абсорбира в определен облак от междузвездната среда и облаците се движат един спрямо друг със скорост, близка до 10 км/сек.
Химическият състав на междузвездния газ в първото приближение се оказа доста близък до химичния състав на звездите. Преобладаващите елементи са водород и хелий, докато останалите елементи можем да считаме за "примеси".
Междузвездният газ в галактиките обикновено съставлява няколко процента от общата маса на звездите. По-голямата част от газа се намира в неправилните галактики (понякога до 50%) и най-малко в елиптичните галактики.
Междузвездният прах се вижда най-добре в галактики, чийто диск се вижда от ръба. Както е отбелязано в глава 3,междузвездният прах, разположен в равнината на диска, поглъща светлината на звездите и поради това галактиката изглежда пресечена от тъмна ивица. Междузвездният прах представлява твърди микроскопични частици материя с размер под микрон. Тези прахови частици имат сложен химичен състав. Установено е, че праховите зърна имат доста издължена форма и са „ориентирани“ до известна степен, т.е. техните посоки на удължаване са склонни да се „подреждат“ в даден облак повече или по-малко успоредно. Поради тази причина звездната светлина, преминаваща през тънка среда, става частично поляризирана.
Ако съставът на галактиките е подобен, тогава структурата на наблюдаваните галактики е различна.
Елиптичните галактики изглеждат най-лесни: те са гладки, еднакви по цвят и симетрични. Тяхната почти перфектна структура предполага тяхната съществена простота и наистина се оказа, че параметрите на елиптичните галактики са по-лесни за измерване и намиране на теоретични модели за тях, отколкото за по-сложни роднини на тези обекти.
Помислете например за структурата на типична елиптична галактика NGC 1399. В центъра й има ярко ядро, заобиколено от дифузно сияние, чиято яркост намалява с разстоянието от центъра. Както при всички елиптични галактики, спадът в яркостта се описва с проста математическа формула. Формата на очертанията на галактиката също остава почти същата при всички нива на яркост. Всички изофоти са почти перфектни елипси, центрирани точно върху галактическото ядро. Посоките на големите оси и отношението на голямата ос към малката са почти еднакви за всички елипси.
Фундаменталната простота на елиптичните галактики е в съответствие с предположението, че те се контролират от малък брой сили. Орбитите на звездите са гладки и добре смесени и нищо друго освен гравитацията не влияетяхното подравняване и никакво непрекъснато образуване на звезди не е унищожило тяхната коректност.
За разлика от елиптичните галактики, спиралните галактики се характеризират с наличието на диск и издутина (удебеляване). Спиралните рамена са по-ниски от диска и изпъкналостта по отношение на броя на звездите, които съдържат, въпреки че са важни и видни части на галактиката. Дискът на спиралната галактика е доста плосък. Крайните галактики предполагат, че дебелината на типичен диск е около 1/10 от неговия диаметър.
Използвайки методи за компютърна симулация, беше доказано, че спиралните галактики са бързо въртящи се звездни системи. Причината за образуването на издутини, които имат повечето от структурните свойства на елиптичните галактики, е, че звездите започват да се образуват първо в централните области на галактиките, където плътността е най-висока.
Спиралната структура на спиралните галактики възниква от факта, че вътрешната част на галактиката се върти с различна скорост от външната част и рамената постепенно се извиват в спирален модел. За галактики с възрасти, типични за галактиките около нас, броят на завъртанията на шаблона трябва да бъде много голям - приблизително равен на възрастта, разделена на средния период на въртене - около 100. Въпреки това, в реалните спирални галактики - поне тези, които имат ясни непрекъснати спирални ръкави, наблюдаваното усукване на спиралния модел е само едно или две завъртания. Възниква въпросът: как да се обясни това? Проблемът не е решен и до днес. Учените предпочитат магнитната, вълновата и експлозивната хипотези, които отчитат астрофизичната страна на проблема.
Много спирални галактики имат друга забележителна структурна характеристика - концентрация на звезди под формата на лента (бар), пресичаща ядрото и разширяваща сесиметрично от двете страни. Техните данни за скоростта показват, че лентите обикалят около ядрото като твърди тела, въпреки че, разбира се, те всъщност са съставени от отделни звезди и газ. Лентите, открити в галактиките от тип S0 или Sa, са по-гладки и се състоят изцяло от звезди, докато лентите в галактиките Sb, Sc и Irr често съдържат много газ и прах. Все още има дебат за движението на газ в тези барове. Някои доказателства предполагат, че газът тече навън по протежение на лентата, докато други предполагат, че тече навътре. Във всеки случай съществуването на решетки не изненадва астрономите, които изучават динамиката на галактиките. Числените модели показват, че нестабилностите в диска на въртяща се галактика могат да се проявят под формата на лента, която прилича на наблюдаваните.