Распределение яркости на фотографии галактики определяет ее морфологический тип. Интересно установить связь между этим непосредственно наблюдаемым распределением и динамикой галактического вещества. Например, цвет галактик от Е-систем к Ir-системам изменяется: Ir-галактики самые голубые, S-галактики уже краснее, а Е-галактики самые красные.
Цвет галактики, ее светимость и скорость вращения характеризуют галактики как целое, а морфологический тип связан с локальным распределением светящегося вещества по диску. Количественно морфологический тип галактики можно характеризовать фрактальной размерностью D распределения яркости по диску.
Фракталы, или фрактальные множества, были введены в физику американским математиком Б. Мандельбротом в 1977 г. Мандельброт назвал фракталами (от английского слова ГгасИоп - дробный, частичный) множества, для которых размерность Хаусдорфа больше топологической размерности. Топологическая размерность - это обычная геометрическая размерность. Например, топологическая размерность отрезка линии равна 1, квадрата - 2, куба - 3.
В 1919 г. немецкий математик Ф. Хаусдорф ввел особую размерность для множеств, которые составляют часть от топологического множества. Обычный отрезок состоит из бесконечного числа точек. Какая будет размерность у множества, состоящего из большого, но конечного числа точек, которые расположены на отрезке? Оказывается, что хаусдорфова размерность этого множества больше нуля (нуль - топологическая размерность точки), но меньше единицы. Множество точек еще не отрезок линии, но уже и не точка. Аналогично, хаусдорфова размерность ломаной линии, заполняющей, например, квадрат на плоскости, больше 1, но меньше 2.
Оказалось, что хаусдорфова размерность позволяет количественно сравнивать различные сложные структуры, которые наблюдают в космосе. Анализ фрактальных свойств пространственного распределения галактик в сверхскоплениях недавно выполнили в Тартуской обсерватории Я.Эйнасто с сотрудниками. Было установлено, что сверхскопление в созвездие Дева представляет собой плоскую структуру (D = 1,35). Интересно, что в пространственных масштабах, превышающих масштабы сверхскоплений (300 Мпк), хаусдорфова размерность распределения галактик близка к топологической размерности трехмерного пространства. Так должно быть, если распределение вещества в наблюдаемой Вселенной однородно в больших пространственных масштабах.
Вернемся к внутренней структуре распределения яркости по диску галактики. Фрактальные свойства этого распределения зависят от физических процессов, идущих в галактике. Поэтому фрактальная размерность D наблюдаемого распределения яркости зависит от физических свойств галактики. Например, при переходе от Е-галактик к S-галактикам фрактальная размерность уменьшается. Для каждой модели образования галактической структуры можно вычислить теоретическое значение D и сравнить с наблюдаемой фрактальной размерностью.
Спиральный узор галактик - замечательный пример упорядоченного движения среды в грандиозных масштабах. Ширина спиральных ветвей достигает тысяч парсеков. Существует спиральный узор в течение сотен миллионов лет.
Происхождение спирального узора связано с вращением галактики и развитием в галактической среде динамической неустойчивости. Угловая скорость вращения убывает с ростом расстояния от центра. Зависимость угловой скорости от расстояния такая, какая должна быть в том случае, когда каждая частица галактического вещества свободно падает на центральные области системы.
Пусть в некоторый момент в распределении вещества имеется неоднородность, расположенная вдоль радиуса звездной системы. Поскольку внешние области вращаются медленнее, чем внутренние, со временем неоднородность закрутится в спираль. Оказывается, что аналогичную форму приобретает неоднородность любой природы. Например, если в некоторый момент из-за локального увеличения плотности возникло локальное возмущение гравитационного поля, то по диску побежит спиральная волна гравитационного потенциала. В поле этого переменного потенциала будут возникать периодические сгущения вещества, которые получили название волн плотности. То, что спиральная структура является волновым процессом, подтвердили исследования поля скоростей звезд нашей Галактики. Советские астрономы Е. Д. Павловская, Ю. Н. Мишуров и А. А. Сучков показали, что поле скоростей звезд имеет периодическую структуру спиральной формы.
Волна переменного гравитационного поля пробегает диск за время порядка десятка тысяч лет. Образованные ею сгущения постепенно размываются вращением за время порядка времени оборота звездной системы (около 100 млн лет). Возраст галактик больше десяти миллиардов лет. Поскольку наблюдается большое число галактик с отчетливо выраженным спиральным узором, можно утверждать, что спиральная структура существует на протяжении десятков оборотов системы. Значит, эта структура должна как-то противостоять изменениям, которые связаны с неоднородным вращением. Объяснить длительное существование спиральной структуры, возможно, удастся с помощью теории волн плотности, которая была предложена в 1964 г. американскими астрофизиками Ц. Лином и Ф. Шу.
По-видимому, наблюдаемые галактические структуры образуются при взаимодействии неоднородно-стей среды. Одна из первых моделей была проанализирована шведским астрономом Б. Линдбладом еще в 1947 г. Линдблад рассмотрел эволюцию круговых орбит в сильно сжатом звездном диске. Оказалось, что коллективное взаимодействие звезд может привести к появлению во внешних частях системы областей с более плотным по сравнению с окружением распределением орбит звезд. Эти уплотнения имеют спиральную структуру.
Спиральная волна в звездной системе возникает следующим образом. Коллективное гравитационное поле звезд стремится сжать систему. Звезда, смещающаяся в радиальном направлении, испытывает во вращающейся системе отсчета действие силы Кориолиса. Эта сила стремится вернуть звезду на первоначальную орбиту так, чтобы не изменился орбитальный момент вращения звезды. В результате звезда движется по эллипсу, центр которого движется по орбите вокруг центра галактики. Этот эллипс, следуя терминологии древних греков, назвали эпициклом. Направление движения по эпициклу противоположно направлению движения по орбите. Период эпициклического движения зависит от того, на каком расстоянии от центра системы находится звезда. В случае когда периоды эпициклического и орбитального движения совпадают, возникает резонанс. Траектория звезды вблизи резонанса неустойчивая. В областях этих резонансов Линдблада не могут существовать устойчивые уплотнения в распределении орбит: траектории звезд перемешиваются и уплотнение орбит исчезает. Поэтому спиральная волна может существовать только в областях между резонанса ми Линдблада. Время жизни спиральной волны плотности Линдблада - около одного периода оборота галактики (несколько сотен миллионов лет).
Спиральные волны могут возникать благодаря взаимодействию неоднородностей плотности межзвездной среды. Согласно наблюдениям межзвездная среда состоит из гигантских облаков нейтрального водорода размером в несколько десятков парсеков и с массами около миллиона солнечных масс. Возникновение облаков связано с тепловой или гравитационной неустойчивостью межзвездной среды. Гравитационная неустойчивость развивается, если пространственный масштаб облака превышает масштаб тепловых движений в среде. В этом случае облако медленно сжимается под действием собственного тяготения.
Появление спирального узора благодаря взаимодействию неоднородностей плотности может происходить следующим образом. Пусть в некоторый начальный момент в межзвездной среде имеются гравитационно неустойчивые облака. Облака двигаются в галактическом диске по сложным траекториям. Траектория каждого облака определяется гравитационным взаимодействием облака со всей системой и с другими облаками. Неоднородность гравитационного поля, которая создается любым облаком, распространяется по диску в виде спиральной волны. Суммарное гравитационное поле всех облаков называют полем коллектизного взаимодействия или просто коллективным полем.
Когда существенны эффекты коллективного поля? Любые изменения поля каждого облака приводят к изменению коллективного поля, которое в свою очередь влияет на эволюцию любого облака. Если характерное время изменения коллективного поля меньше периода вращения галактики, то роль коллективного поля существенна. В этом случае все облака эволюционируют согласованно друг с другом. Расчет показывает, что коллективное поле обладает крупномасштабной структурой. Крупномасштабная структура проявляется в распределении облаков по диску, т. е. облака расположены не случайным образом, а там, где значение потенциала коллективного поля максимально. Облака двигаются с различными скоростями и постепенно должны отставать друг от друга. Но коллективное поле так перемешивает скорости облаков, что они уже двигаются без отставания. Появившуюся коллективную структуру возможно и наблюдают в спиральных галактиках.
Интересно, что тип структуры зависит от начальных свойств облаков. Например, если начальные скорости облаков отличаются от кеплеровских, то могут возникать спирали с перемычкой или даже кольцеобразные структуры.
