Teorijos, aiškinančios spiralių susidarymą, bei barų vaidmuo perskirstant dujas ir žvaigždes
Galaktikose dažnai matome įspūdingas spiralines vijas arba centrines skerses – dinamiškas ypatybes, žavinčias tiek profesionalius astronomus, tiek mėgėjus. Spiralinėse galaktikose vijos žymi švytinčius žvaigždėdaros rajonus, besisukančius apie centrą, o skersinėse spiralinėse galaktikose tvyro ištęstas žvaigždžių telkinys, kertantis branduolį. Tai nėra vien statiniai pagražinimai – šios struktūros atspindi vykstančią gravitaciją, dujų tėkmes ir žvaigždžių formavimosi procesus diske. Šiame straipsnyje nagrinėsime, kaip susidaro ir išlieka spiraliniai raštai, kokia svarba tenka skersėms ir kaip abu veiksniai lemia dujų, žvaigždžių bei kampinio momento pasiskirstymą ilgalaikėje kosminėje raidoje.
1. Spiralinės vijos: bendras vaizdas
1.1 Stebimos savybės
Spiralinėms galaktikoms paprastai būdingas disko pavidalas su ryškiomis vijomis, išsidėsčiusiomis nuo centrinio branduolio. Vijos dažnai atrodo melsvos arba ryškios optiniuose vaizduose, rodančios aktyvią žvaigždėdarą. Pagal stebėjimus skiriame:
- „Grand-design“ spiralės: Kelios ryškios, vientisos vijos, aiškiai besitęsiančios aplink visą diską (pvz., M51, NGC 5194).
- „Flocculent“ spiralės: Daug padrikų spiralinių fragmentų be akivaizdaus globalaus rašto (pvz., NGC 2841).
Vijose gausu H II regionų, jaunų žvaigždžių sankaupų ir molekulinių debesų, todėl jos atlieka lemiamą vaidmenį „palaikant“ naują žvaigždžių populiaciją.
1.2 Vijų „susisukimo“ problema
Vienas akivaizdus sunkumas yra tas, kad dėl skirtingo disko sukimosi greičio bet koks fiksuotas raštas turėtų susisukti gana sparčiai ir taip „išsitempti“ per kelis šimtus milijonų metų. Tačiau stebėjimai rodo, kad spiralės išlieka kur kas ilgiau, taigi vijų negalima laikyti „materialiomis rankomis“, kurios sukasi su žvaigždėmis. Greičiau, jos yra tankio bangos ar tam tikri raštai, judantys kitu greičiu nei atskiros žvaigždės ir dujos [1].
2. Spiralių raštų susidarymo teorijos
2.1 Tankio bangų teorija
Tankio bangų teorija, kurią 7-ajame dešimtmetyje pasiūlė C. C. Lin ir F. H. Shu, teigia, jog spiralinės vijos yra kvatistacionarios bangos galaktikos diske. Svarbiausi akcentai:
- Bangų raštai: Vijos – didesnio tankio sritys (tarsi „kamščiai autostradoje“), judančios lėčiau nei žvaigždės orbitalinis greitis.
- Žvaigždėdaros sužadinimas: Dujoms įžengus į tankesnę zoną, jos susispaudžia ir formuoja žvaigždes. Šie jauni, šviesūs žvaigždžių telkiniai paryškina viją.
- Ilgaamžiškumas: Rašto stabilumą lemia banginis gravitacijos nestabilumų sprendinys sukamajame diske [2].
2.2 „Swing“ stiprinimas (Swing Amplification)
„Swing Amplification“ – kitas dažnai minima mechanizmas skaitmeninėse simuliacijose. Kai rotuojančiame diske susidaro tankio perteklius, pjaunamas disko pavidalu, gravitacija tam tikromis sąlygomis (susijusiomis su Toomre Q parametru, disko gradientu ir storyme) gali jį sustiprinti. Taip susidaro spirališkos struktūros, kurios kartais palaiko „grand-design“ pobūdį arba suskyla į daugybę vijų segmentų [3].
2.3 Potvyninės kilmės spiralės
Kai kuriuose galaktikų atvejuose potvyniniai sąveikos ar nedideli susiliejimai gali sukurti ryškius spiralių bruožus. Kaip nors praeinanti kaimynė sukelia disko sutrikimus, taip palaikydama spiralines vijas. Tokiose sistemose kaip M51 (Vijurų galaktika) itin išraiškingos spiralės, regis, stimuliuotos palydovinės galaktikos traukos [4].
2.4 „Flocculent“ vs. „Grand-Design“
- „Grand-design“ spiralių atveju dažnai pasitvirtina tankio bangų sprendiniai, kuriuos gali sustiprinti sąveikos ar skersės, generuojančios globalius raštus.
- „Flocculent“ spiralės gali kilti iš vietinių nestabilumų ir trumpai gyvuojančių bangelių, nuolat formuojančiųsi ir išnykstančių. Tarpusavyje persidengiantys banguotumai suteikia netvarkingesnį disko vaizdą.
3. Skersės (barai) spiralinėse galaktikose
3.1 Stebimos ypatybės
Skersė – tai pailgas ar ovalo formos žvaigždžių telkinys, kertantis galaktikos centrą ir jungiantis disko puses. Maždaug du trečdaliai spiralinių galaktikų yra su skersėmis (pavyzdžiui, SB galaktikos Hubble’o klasifikacijoje, tarp jų ir mūsų Paukščių Takas). Skersėms būdinga:
- Išsikišimas nuo iškilumos (bulge) į diską.
- Sukimasis apytikriai kaip kietakūnė banga.
- Žiedinės ar branduolinės zonos, kur skersės sukoncentruojamos dujos sukelia intensyvią žvaigždėdarą ar branduolio aktyvumą [5].
3.2 Formavimasis ir stabilumas
Dinaminiai nestabilumai besisukančiame diske gali savaime sukurti skersę, jei diskas pakankamai savigravitacinis. Svarbūs veiksniai:
- Kampinio momento (KM) perskirstymas: Skersė gali padėti pasikeisti KM tarp skirtingų disko vietų (ir halų).
- Sąveika su tamsiosios materijos halu: Halas gali sugerti ar perduoti KM, veikdamas skersės augimą ar nykimą.
Vos susiformavusios, skersės paprastai laikosi milijardus metų, nors stiprios sąveikos ar rezonansiniai poveikiai gali pakeisti skersės stiprumą.
3.3 Skersės sukurtas dujų srautas
Esminė skersės įtaka — transportuoti dujas į centrą:
- Smūginiai frontai skersės dulkių juostose: Dujų debesys patiria gravitacinius sukimo momentus, praranda KM ir migruoja link galaktikos branduolio.
- Dega žvaigždėdara: Taip susikaupusios dujos gali formuoti žiedines rezonansines struktūras ar diskines konfigūracijas aplink iškilumą, sukeldamos branduolinį žvaigždėdaros sprogimą ar aktyvų branduolį (AGN).
Tad skersė efektyviai reguliuoja iškilumos ir centrinės juodosios skylės augimą, susiedama disko dinamiką su branduolio veikla [6].
4. Spiralinės vijos ir skersės: susieti procesai
4.1 Rezonansai ir rašto greičiai
Daug kur galaktikoje skersė ir spiralės egzistuoja kartu. Skersės rašto greitis (kai skersė sukasi kaip banga) gali rezonansiškai derėti su disko orbitaliniais dažniais, galbūt „inkaruodamas“ ar suderindamas spiralines vijas, prasidedančias skersės galuose:
- „Manifold“ teorija: Kai kurios simuliacijos rodo, kad spiralinės vijos skersinėse galaktikose gali rastis kaip manifoldai, besitęsiantys nuo skersės „galų“, taip sukuriant „grand-design“ struktūrą susietą su skersės sukimu [7].
- Vidiniai ir išoriniai rezonansai: Skersės kraštų rezonansai gali suformuoti žiedus ar pereinamas sritis, kur baro srautai susitinka su spiralės bangų regionais.
4.2 Skersės stiprumas ir spiralių palaikymas
Stipri skersė gali sustiprinti spiralių raštus arba, kai kuriais atvejais, taip efektyviai perskirstyti dujas, kad galaktika keičia morfologinį tipą (pvz., iš vėlyvojo tipo spiralinės tampa ankstyvojo tipo su didele iškiluma). Kai kuriose galaktikose baro-spiralės sąveikos vyksta cikliškai: skersės gali silpnėti ar stiprėti kosminiu laikotarpiu, keisdamos spiralinių vijų ryškumą.
5. Stebėjimų duomenys ir konkretūs pavyzdžiai
5.1 Paukščių Tako skersė ir vijos
Mūsų Paukščių Takas yra skersinė spiralė, kurios centrinė skersė tęsiasi kelis kiloparsekus, o keletas spiralinių vijų žymimos pagal molekulinių debesų, H II regionų ir OB žvaigždžių pasiskirstymą. Infraraudonieji dangaus žemėlapiai patvirtina skersę, už kurios yra dulkių klodai, o radijo/CO stebėjimai rodo masyvius dujų srautus, judančius palei skersės dulkių juostas. Detalūs modeliai palaiko mintį, kad skersė nuolat skatina medžiagos įtekėjimą į branduolinę sritį.
5.2 Iškilios skersės kitose galaktikose
Tokios galaktikos kaip NGC 1300 ar NGC 1365 turi ryškias skerses, perėjusias į aiškias spirales. Stebėjimai rodo dulkių juostas, žiedinę žvaigždėdarą ir molekulinių dujų judėjimą, patvirtindami, kad skersė reikšmingai perkelia kampinį momentą. Kai kuriose skersinėse galaktikose skersės „galo“ padėtis sklandžiai susilieja su spiralinių vijų raštu, rodydama rezonansinę sandūrą.
5.3 Potvyninės spiralės ir sąveikos
Tokiose sistemose kaip M51 matyti, jog mažoji palydovė gali palaikyti ir stiprinti dvi išraiškingas vijas. Sukimosi skirtumai ir periodinė gravitacijos trauka sukuria vieną gražiausių „grand-design“ vaizdų danguje. Tyrinėjant tokias „potvyniniu būdu priverstas“ vijas, patvirtinama, kad išoriniai trikdžiai gali sustiprinti ar „užfiksuoti“ spiralinius raštus [8].
6. Galaktikų evoliucija ir sekuliarios kaitos procesai
6.1 Sekuliari evoliucija per skerses
Laikui bėgant, skersės gali nulemti sekuliarią (laipsnišką) evoliuciją: dujos kaupiasi centriniame branduolyje ar pseudoiškilumo srityje, žvaigždėdara pertvarko galaktikos branduolį, o skersės stiprumas gali kisti. Toks „lėtas“ morfologinis kitimas skiriasi nuo staigių stambių susijungimų transformacijų ir parodo, kaip vidinė disko dinamika gali pamažu keisti spiralinę galaktiką iš vidaus [9].
6.2 Žvaigždėdaros reguliavimas
Spiralinės vijos, ar jos būtų grindžiamos tankio bangomis, ar lokaliniais nestabilumais, yra naujų žvaigždžių „gamyklos“. Dujos, kirsdamos vijos, patiria suspaudimą, kuris inicijuoja žvaigždėdarą. Skersės dar labiau tai pagreitina, transportuodamos papildomų dujų į centrą. Per milijardus metų šie procesai storina žvaigždžių diską, praturtina tarpžvaigždinę terpę ir maitina centrinę juodąją skylę.
6.3 Sąsajos su iškilumos augimu ir AGN
Skersės valdomi srautai gali sutelkti daug dujų prie branduolio, kartais iššaukdami AGN epizodus, jei dujos patenka į supermasyvią juodąją skylę. Pakartotiniai skersės susiformavimo ar išnykimo laikotarpiai gali lemti iškilumos savybes, kuriant pseudoiškilumas (turinčias diskinę kinematiką), kitaip nei klasikinius, gautus per susijungimus, branduolius.
7. Ateities stebėjimai ir simuliacijos
7.1 Aukštos skiriamosios gebos vaizdai
Būsimieji teleskopai (pvz., ypač dideli antžeminiai, Nancy Grace Roman kosminis teleskopas) pateiks detalesnius artimojo IR duomenis apie skersines spirales, leisdami ištirti žvaigždėdaros žiedus, dulkių juostas ir dujų tėkmes. Ši informacija padės tobulinti baro įtakos evoliucijai modelius platesniame raudonojo poslinkio diapazone.
7.2 Visų sričių spektroskopija (IFU)
IFU projektai (pvz., MANGA, SAMI) fiksuoja greičio laukus ir chemines gausas visame galaktikos diske, pateikdami dvimačius barų ir vijų kinematikos žemėlapius. Tokie duomenys aiškina įtekėjimus, rezonansus ir žvaigždėdaros impulsus, pabrėždami baro ir spiralės bangų sinergiją, auginančią diską.
7.3 Pažangios disko simuliacijos
Naujausios hidrodinaminės simuliacijos (pvz., FIRE, IllustrisTNG submodeliai) siekia realistiškai sukurti barų ir vijų susidarymą, įskaitant žvaigždėdaros ir juodųjų skylių grįžtamąjį ryšį. Lyginant šias simuliacijas su stebėjimų duomenimis apie spiralines galaktikas tiksliau numatomi sekuliarios raidos, baro gyvavimo ir morfologinių pokyčių scenarijai [10].
8. Išvada
Spiralinės vijos ir skersės – dinamiškos struktūros, glaudžiai susijusios su diskinės galaktikos raida, įkūnijančios gravitacinių bangų raštus, rezonansus bei dujų tekėjimą, reguliuojantį žvaigždėdarą ir galaktikos formą. Nesvarbu, ar susidariusios iš ilgalaikių tankio bangų, ar „swing“ stiprinimo, ar potvyninės sąveikos, spiralinės vijos paskirsto žvaigždėdarą išilgai dailių lanko formų, o skersės veikia kaip galingi „kampinio momento varikliai“, siurbiantys dujas į centrą, kad būtų maitinamas branduolys ir auginama iškiluma.
Kartu šios ypatybės rodo, kad galaktikos nėra statiškos – jos viduje ir išorėje nuolat juda per kosminę istoriją. Toliau tyrinėjant barų rezonansus, spiralių tankio bangas ir kintančias žvaigždžių populiacijas, geriau suprantame, kaip tokios galaktikos kaip mūsų Paukščių Takas išsivystė iki gerai žinomų, bet amžinai kintančių spiralinių struktūrų.
Nuorodos ir platesnis skaitymas
- Lin, C. C., & Shu, F. H. (1964). “On the Spiral Structure of Disk Galaxies.” The Astrophysical Journal, 140, 646–655.
- Lin, C. C., & Shu, F. H. (1966). “A Theory of Spiral Structure in Galaxies.” Proceedings of the National Academy of Sciences, 55, 229–234.
- Toomre, A. (1981). “What amplifies the spirals?” Structure and Evolution of Normal Galaxies, Cambridge University Press, 111–136.
- Tully, R. B. (1974). “The kinematics and dynamics of M51.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 27, 449–457.
- Athanassoula, E. (1992). “Formation and evolution of bars in galaxies.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 259, 345–364.
- Sanders, R. H., & Tubbs, A. D. (1980). “Bar-driven infall of interstellar gas in spiral galaxies.” The Astrophysical Journal, 235, 803–816.
- Romero-Gómez, M., et al. (2006). “The origin of the spiral arms in barred galaxies.” Astronomy & Astrophysics, 453, 39–46.
- Dobbs, C. L., et al. (2010). “Spiral galaxies: Flow of star-forming gas.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 403, 625–645.
- Kormendy, J., & Kennicutt, R. C. (2004). “Secular Evolution and the Formation of Pseudobulges in Disk Galaxies.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 42, 603–683.
- Garmella, M., et al. (2022). “Simulations of Bar Formation and Evolution in FIRE Disks.” The Astrophysical Journal, 924, 120.