Почему не распадается узор спиральных галактик?

Существуют различные подходы объяснения спирального узора в галактиках, я ответ построю на идеях "полуэмпирической" теории волн плотности Линя и Шу (основные её идеи лежат в основе всех объяснений), которая находится в хорошем согласии с наблюдениями.

Как известно, галактики вращаются дифференциально, то есть, разные участки галактики на разных расстояниях вращаются с разной угловой скоростью (внутренние части вращаются быстрее, внешние медленнее). Достаточно очевидно, что спиральная структура не является материальным образованием -- иначе спиральный узор был бы размазан за несколько оборотов (а такого не наблюдается), ведь звёзды на более далёких орбитах постепенно отстают в смысле вращения.

На самом деле, мы видим как галактический узор твердотельно движется по самой галактике с постоянной угловой скоростью. Раз сама галактика вращается дифференциально, а узор постоянно -- в центральных частях спиральный узор отстаёт от вращающегося диска, а на периферии он его опережает. Отдельные звёзды, вращаясь в галактике, попадают в спиральный рукав, движутся сквозь него, и покидают его пределы. Почему же мы видим эти спирали? Потому что спиральные рукава являются регионами активного звездообразования. Рукава являются областями повышенной плотности, следовательно, в них облака газа начинают коллапсировать и формировать звёзды. Взгляните ниже на снимок галактики NGC 1232 (полученный на телескопе VLT с помощью инструмента FORS).

В рукавах много молодых горячих голубых звёзд -- они массивные и срок их жизни невелик. Они могут сформироваться и провести всю свою жизнь внутри рукава, после чего вспыхнуть Сверхновой. Менее массивные звёзды покидают рукава и продолжают движение по галактике. Но почему в спиральных рукавах зарождаются звёзды?

Виной всему возмущение гравитационного потенциала. Чтобы возникали звёзды, должно быть внешнее воздействие на газ и пыль. Инициатором является гравитационное возмущение. Откуда оно -- вопрос другой. Либо оно генерируется асимметричным распределением массы в центре галактики, либо внешними возмущающими факторами (например, компаньонами-сателлитами возле галактики).

Мы не обращаем внимания, но нас окружают различные гравитационные возмущения :) Например, гравитационная (приливная) волна возмущения от Луны проходит через Казань, Москву, ну или Кавказ дважды за сутки (в виду большого и непостоянного наклона лунной орбиты к нашему экватору на некоторых широтах наблюдается один прилив в сутки) -- волна проходит поперечник земного шара. Мы привыкли к приливам на воде, но возмущаются и недра Земли, и материки. Максимальные приливы на суше (приливная сила приподнимает и опускает поверхность планеты) достигают примерно ~40 см (вода в океане подвижнее, потому и приливы там больше) за счёт Солнца и Луны (если они в противофазе -- эффект в ~2-3 раза меньше). Нечто аналогичное происходит и в нашей Галактике.

В центре вращается асимметрично распределённое вещество (неосесимметричный бар в центре дифференциально вращающейся галактики всегда вращается твердотельно), что влечёт спиральные волны гравитационного возмущения. Волна запускает механизм звездообразования, когда разность скоростей вращения галактики и распространения этой спиральной волны превышает скорость звука в газе -- тогда возникает ударная волна (резкое уплотнение газа), что и стимулирует процесс звездообразования. Спиральный узор представляет собой волну плотности, волну возмущения гравитационного потенциала.

Рассмотрим глубже физику процесса. Звёздный диск -- система бесстолкновительная (длина свободного пробега больше размера системы), в отличие от газового. Бесстолкновительную совокупность n частиц, связанных гравитационно, описывают кинетическим уравнением Лиувилля. Смысл уравнений Лиувилля -- в бесстолкновительной системе фазовое пространство постоянно со временем. Если записать уравнение Лиувилля для галактики с вращением -- стационарные решения показывают, что в галактике будет возникать неустойчивость (движущиеся солитоны в плоскости гравитирующего диска). Спиральные волны возникают из-за возмущений фазовой плотности во вращающейся бесстолкновительной системе. Если ударить по барабанной тарелке -- возникают радиально-азимутальные колебания. Упругость такой тарелки аналогична во вращающемся диске вращению (роль сил упругости в бесстолкновительной среде играют силы Кориолиса). Не будет лишним почитать монографию Поляченко и Фридмана "Равновесие и устойчивость гравитирующих систем" наиболее заинтересованным и подкованным читателям. В ней систематизированы неустойчивости, которые могут возникать в галактиках, которые приводят, в частности, к появлению таких азимутально-радиальных колебаний, наблюдаемых в виде спиральной волны.

Фактически, быстровращающийся газозвёздный диск галактики обладает упругими свойствами. Его не растянуть -- тяготение вернёт диск в устойчивое положение, его не сжать -- центробежная сила также вернёт в устойчивое положение равновесия. Собственно, в такой упругой среде по диску могут распространяться спиральные волны. В невращающейся галактике волны плотности не возникают. Если момент системы равен нулю (система не вращается) -- спиральной структуры не будет. Иррегулярные галактики (клочковатые, бесформенные, иногда бывают плоские) не крутятся ощутимо и там нет спиральных волн. У эллиптических галактик очень маленький момент.

Хорошо, каким образом волны плотности инициируют звездообразование? Есть облако газа. И снова нужна неустойчивость (мир вокруг пронизан неустойчивостями!), но уже неустойчивость Джинса. Необходимо, чтобы газ начал сжиматься. Причин сжатия много, но одна из них -- ударная волна. Ударные волны сжимают газ и начинается процесс звездообразования.

Происходит повышение плотности вещества. Некий контраст потенциала движется по диску с постоянной скоростью. Но сам диск (газ) движется дифференциально. Газ проваливается в ямку и начинает поджиматься. Физическая причина звездообразования в спиралях -- образование ударных волн (сжатие газа на ударных волнах). При сжатии газа с данной объёмной плотностью -- температура начинает расти и он начинает фрагментироваться по Джинсу. Для образования звёзд нужен достаточно холодный газ и нужно начать его сжимать. Чем больше величина отношения скорости волны возмущения к дисперсии скоростей, тем сильнее будет идти поджатие. Тем сильнее ударная волна.

В некоторых спиральных галактиках наблюдаются бары (перемычка). Что это такое с точки зрения звёздной динамики? Это образование с неосесимметричным потенциалом, которое может образовываться в результате течения внутренних резонансов и может само направлять волну. Сложно сказать, кто кого порождает... Природа возникновения спиральных волн -- это проблема курицы и яйца. Нет оснований считать, что бар обязательно порождает спиральную структуру. Или же наоборот. Поскольку не у всех спиральных галактик есть бары.

Бар -- это порождение трёхосности потенциала. Вращающийся шар сплющивается в геоид (в трёхосный эллипсоид) -- это энергетически выгодно при вращении. Если по какой-либо причине возникает (как называют в звёздной динамике) овальная неустойчивость (то есть, которая привела к появлению бара) -- то это состояние с меньшей энергией и оно никуда не денется без внешнего воздействия. Мир вокруг нас -- мир сплошных неустойчивостей. Мы живём в этих неустойчивостях (наша планета в некотором приближении имеет форму геоида).

То есть, для звездообразования нужны два компонента: газ и механизм сжатия. Бар галактики вращается твердотельно, вероятно из-за бара вращается постоянно и волна возмущения. Где спиральное возмущение проходит по диску галактики -- там идёт более активное звездообразование, что гарантирует нам одно из самых прекрасных украшений Вселенной в виде яркого спирального узора дисковых галактик :)