Галактики нашей Вселенной могут выглядеть по-разному: это и бесформенные скопления, и аккуратные эллипсы, и классические спирали. К последней категории относятся приблизительно три четверти известных науке галактик, но астрономы до сих пор не до конца понимают, как именно они образуются и как сохраняют свою спиральную форму в течение миллиардов лет.

Почему учёные до сих пор не нашли ответ на вопрос: «Как галактики приобретают форму спирали и сохраняют её?»

Главная сложность для исследователей заключается в том, что спиральные галактики вращаются не так, как, допустим, колесо. Они выглядят «монолитными», но если бы это действительно было так, звезды не меняли бы своего положения в рукавах по мере вращения галактик. Тем временем, наблюдения показывают, что внутренние части этих сообществ кружатся быстрее внешних.

Если бы объекты, находящиеся в рукавах, были зафиксированы, разница в скорости вращения приводила бы к медленному закручиванию «отростков». Они неумолимо притягивались бы к центру и в конечном итоге исчезали.

Однако спиральные галактики существуют миллиарды лет именно с рукавами. Это говорит о том, что нужно искать другое объяснение неизменности их формы. В середине 60-х годов прошлого века была выдвинута гипотеза, которая предполагала, что во внешних утолщениях звезды концентрируются гуще, чем в прилегающих районах. Это так называемая «теория волн плотности» — она постулирует, что светила беспрепятственно входят в более насыщенные материей области и столь же свободно покидают их.

Широко распространена аналогия, сравнивающая этот процесс с автомобильной пробкой. Представьте себе дорогу, на небольшом участке которой образовался затор. Машины въезжают в него и, спустя какое-то время, выезжают, но сам затор остается на своем месте. Согласно этой гипотезе, звезды движутся с разной скоростью в рукавах и за их пределами.

Названная теория не говорила о том, откуда могли взяться волны плотности. Сегодня предполагается, что они являются следствием некоего возмущения и представляют собой что-то вроде водной ряби, которая приобретает форму спирали из-за вращения галактик. Чисто гипотетически это действительно привело бы к образованию наблюдаемых астрономами рукавов.

Почему учёные до сих пор не нашли ответ на вопрос: «Как галактики приобретают форму спирали и сохраняют её?»

Поначалу единственным подтверждением этих предположений были только компьютерные симуляции, ведь интересующие нас процессы происходят в космических масштабах времени, и увидеть их в действии не хватит никакой жизни. Однако затем теория волн плотности была проанализирована путем проверки тех «последствий», которые должны проистекать из неё.

Если рукава галактик обязаны своим существованием этой космической ряби, в них должны находиться активные очаги звездообразования. О том, что это действительно так, астрономы знают с середины прошлого века — яркие молодые светила хорошо заметных спиральных галактик сосредоточены именно в рукавах. А в 2016 году было проверено предсказание о неидентичности скорости движения соответственно звезд и этих живописных вытянутых отростков. Ученые проанализировали положение объектов в десятках галактик.

Как и ожидалось, самые молодые светила находились внутри рукавов, а старые по мере увеличения возраста располагались все дальше и дальше. Это наблюдение показало, что звезды не «прикреплены» к той или иной точке пространства, а относительно свободно движутся сквозь области, встречающиеся им на пути.

Почему учёные до сих пор не нашли ответ на вопрос: «Как галактики приобретают форму спирали и сохраняют её?»
Снимок спиральной галактики с перемычкой UGC 6093, сделанный телескопом «Хаббл»

Теория волн плотности — не единственная из предложенных для объяснения сохранения формы спиральными галактиками. Но описанные выше доказательства позволяют ей считаться превалирующей. Вопросов, тем не менее, пока несколько больше, чем ответов. Основной, как уже было сказано, состоит в природе возникновения волн плотности.

Некоторые теоретики предполагают, что они могут генерироваться вследствие вращения «перемычек», имеющихся в центре многих спиральных галактик. Забавно, но другие их коллеги считают, что все происходит с точностью до наоборот, и как раз волны приводят к образованию «мостиков». Надо также учесть, что перемычки есть не во всех галактиках интересующей нас формы.

Согласно ещё одной гипотезе, волны плотности могут вызываться галактиками-компаньонами, чья гравитация воздействует на спиральные извне. Но такие «спутники» есть у рассматриваемых сегодня звездных сообществ далеко не всегда. Возможно, они слишком тусклы и не видны земным наблюдателям, но, скорее всего, объяснение следует искать в другом.

Оно, кстати, может оказаться гораздо проще, чем мы думаем: согласно некоторым моделям, спирали образовываются вследствие спонтанных флуктуаций плотности внутри диска галактики. Автомобильные пробки ведь тоже иногда возникают на ровном месте, без всякой видимой причины?