Глядя на галактики, подобные нашей или соседней с нами Туманности Андромеды, мы прежде всего замечаем их яркие спиральные рукава. В этих рукавах сконцентрированы молодые горячие звезды, ионизованные ими облака плазмы (области НII), самые крупные облака молекулярного газа. Особенно эффектно спиральный узор виден на фотографиях, сделанных в голубых лучах, посылаемых самыми горячими звездами. В то же время, если сфотографировать галактику через красный фильтр, то мы не увидим столь четкого спирального узора, его вообще будет трудно различить. Ведь звезды промежуточного пожилого возраста, преимущественно красные и желтые, почти не концентрируются в спиральных рукавах.
О происхождении самих спиральных волн плотности мы сейчас говорить не будем. Это сложная и не до конца решенная проблема, которая увела бы нас в сторону. В данный момент нас интересует, почему спиральные ветви ярко выделяются в газовой составляющей галактики, в то время как старые звезды в них почти не концентрируются?
Вероятно, это происходит по двум причинам. Во-первых, интервал значений хаотических скоростей (дисперсия скоростей) у старых звезд значительно больше, чем у газовых облаков и молодых звезд. Поэтому старые звезды менее чувствительны к флуктуациям гравитационного притяжения в галактическом диске. Гравитационный потенциал в спиральном рукаве по сравнению с соседними участками галактического диска меняется всего на 5-10%. "Скатываясь" в небольшую потенциальную "ямку", объекты галактического диска изменяют свою скорость на величину dV=Vкруг · (5 - 10%) = 220 км/с-(0,05-0,1) = 10-22 км/с.
Для старых звезд, дисперсия скоростей которых около 50 км/с, это малозаметная величина. Зато для молодых звезд, имеющих низкую дисперсию скоростей (8- 10 км/с), такая "ямка" оказывается настоящей ловушкой: родившись в ней, звездам не так-то легко выбраться на волю.
В этой потенциальной яме застревают и газовые облака, но на первый взгляд не ясно почему. Ведь они скатываются в яму снаружи, уже имея определенную скорость ( = 10 км/с), да еще, достигнув дна ямы, получают приращение скорости 10-22 км/с, так что, казалось бы, легко могут покинуть потенциальную яму. Но дело в том, что газовая среда не сохраняет свою внутреннюю энергию, а стремится избавиться от нее, например путем излучения. Особенно ярко это проявляется, когда движение газа происходит со сверхзвуковой скоростью. В этом случае столкновение газовых потоков рождает не волны сжатия и разрежения (звуковые волны), а ударные волны, которые превращают энергию движения газа в тепло, и она быстро теряется в виде излучения.
Особенно интенсивно межзвездный газ начинает излучать, когда водород становится частично ионизованным при температуре порядка 104K Поэтому температура межоблачной среды почти никогда не превышает эту величину. Скорость звука в таком газе составляет около 10 м/с. Если скорость облаков или потоков газа начинает превышать это значение, то рождаются ударные волны, уносящие избыток энергии движения. Именно поэтому дисперсия скоростей облаков, как правило, держится на отметке "10 км/с".
Скатываясь в потенциальную яму спирального рукава, газовая составляющая весь свой прирост энергии расходует на формирование ударных волн, сжимающих газ, стимулирующих в нем звездообразование, но затрудняющих ему последующее покидание ямы. Таким образом, старые звезды "проскакивают" неглубокую потенциальную яму спирального рукава, почти не замечая ее, а межзвездный газ задерживается в ней надолго, частично превращаясь в звезды, а в основном переходя в более горячую фазу НII.
В конце 70-х годов, когда обнаружилось, что по крайней мере половина межзвездного газа сосредоточена в плотных компактных ГМО, стало не совсем понятно, почему же газ, "упакованный" в ГМО, ведет себя так же, как диффузная среда. Ведь ГМО, обладая большой "пробивной силой", почти не чувствуют присутствия окружающего разреженного газа. Но численные расчеты показали, что и ГМО реагируют на спиральную волну. Попадая в нее, они увеличивают скорость своего хаотического движения по крайней мере вдвое, возрастает и их пространственная плотность (хотя и не так сильно, как у диффузного газа на фронте ударной волны). В результате значительно возрастает частота взаимного сталкивания облаков, увеличивается интенсивность их слипания, и все это инициирует процесс звездообразования. Поэтому рисунок спиральной структуры, очерченный молодыми яркими звездами, получается очень контрастным.
