Вера Парафонова
Еще в 1986 году были предсказаны гигантские антициклоны между спиральными рукавами в галактиках.
Фото NASA
– Олег Владимирович, ваше открытие связано с обнаружением новых структур в спиральных галактиках. Что это за структуры?
═
– Вначале немного о самих галактиках. Согласно современным представлениям, это «кирпичики» мироздания, на долю которых приходится около 70%, то есть более двух третей видимой массы Метагалактики. Примерно половина из них – спиральные. Мы тоже живем в спиральной галактике. Еще совсем недавно, в начале прошлого века, эти образования считались всего лишь необычными объектами нашей звездной системы. Потребовалось около столетия, чтобы открытая в 1845 году лордом Россом спиральная структура была правильно интерпретирована шведским астрофизиком Линдбладом, как проявление волнового возмущения вращающихся дисковых галактик.
═
– А как мы узнали, что живем в спиральной галактике?
═
– Видимый нами в хорошую погоду Млечный Путь – тоже участок самой большой волны. Понимание этого и стало одним из выдающихся открытий ХХ века. Но спирали – это только одна сторона структурообразования в галактическом диске, своего рода «видимая часть айсберга». Ее «подводная часть» – движение галактического вещества, которое и приводит к формированию спиралей. Но оно долгое время оставалось за пределами астрономических наблюдений. Только в конце ХХ века астрономы научились с достаточной точностью и подробностью измерять скорость галактического газа. Методы же измерения движения звездного вещества внешних галактик только развиваются. Теоретическое и наблюдательное доказательство структурированности поля скоростей газового галактического диска – это и есть результат нашей работы. Основу этой структуры составляют гигантские вихри: циклоны и антициклоны. На повестке дня – открытие сходных структур в звездном диске.
═
– Если открытые вами с коллегами структуры столь значимы для понимания процессов, идущих в галактиках, и столь же масштабны, как и спирали, почему вихри были открыты спустя лишь┘ полтора столетия после обнаружения спиральных рукавов?
═
– Как я уже сказал, спирали на виду, а структуры в поле скоростей пришлось выявлять целым рядом специальных методов. Проблема обнаружения вихрей в их «невидимости». Чтобы их найти, их нужно «проявить». Поэтому наблюдатели сами по себе и не могли открыть эти структуры. Наш успех был предопределен целенаправленностью поисков. Большим подспорьем оказалось наличие полученных нами ранее теоретических предсказаний и┘ лабораторных свидетельств.
Так случилось, что вихревые структуры в галактиках были предсказаны на основании экспериментов с вращающейся «мелкой водой» – своего рода моделью газового галактического диска. Они были проведены в РНЦ «Курчатовский институт». Затем последовали многолетние целенаправленные поиски подходящих методик наблюдения и галактик, удобных именно для таких измерений. В конце концов, гигантские галактические вихри были обнаружены с помощью крупнейшего в Европе шестиметрового российского телескопа Специальной астрономической обсерватории РАН в рамках совместной научной программы с участием сотрудников Института астрономии РАН и Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ.
═
– Если взять любую популярную книгу по астрономии, то с большой вероятностью можно увидеть на ее обложке спиральные рукава галактик. Они поражают своей стремительной динамичностью. Причем очень трудно поверить, что такая правильная структура могла родиться в галактическом диске в результате его┘ неустойчивости! Как это было обнаружено?
═
– Неустойчивостей в данном случае не так много, всего две: гравитационная и гидродинамическая. Первая приводит к увеличению плотности газа в областях спиральных рукавов за счет сил гравитационного притяжения, а другая порождает спиральную волну плотности, подобно тому как ветер рождает волны на поверхности воды или изгибы на трепещущем знамени. Возможность гидродинамической неустойчивости обязана наличию областей сильных изменений скорости вращения галактического диска, так называемых «скачков скорости».
Это и было смоделировано на установке с «мелкой водой», названной «Спираль». Установка состояла из двух частей, внутренняя из которых вращалась быстрее наружной. Вода в установке вовлекалась в движение, повторяющее характерный для галактических дисков радиальный профиль.
На этой настольной установке, кроме спиральных волн, были обнаружены антициклонные вихри размером всего лишь в два раза меньше, чем спирали. Таким образом, в 1986 году были предсказаны гигантские антициклоны между спиральными рукавами в галактиках. Ну, а спустя семь лет они были обнаружены в галактике Mrk 1040, отличающейся большим скачком скорости вращения. Далее теория предсказывала наличие антициклонов и в том случае, когда кривая вращения скорости не содержит скачков. Их существование в реальном поле скоростей было показано на примере галактики NGC 157 в 1997 году.
═
– Чтобы разглядеть вихри на установке, приходилось вращать фотоаппарат. А как это сделать в галактике?
═
– Действительно, поскольку вихри представляют собой одно из проявлений бегущего – в данном случае вращающегося – волнового возмущения, чтобы их разглядеть необходимо их «остановить», то есть «сесть» в систему отсчета, вращающуюся вместе с волной. В эксперименте этого достигали, вращая фотоаппарат. Но в случае галактики такой метод не проходит. Чтобы зафиксировать хотя бы один оборот, скажем, нашей галактики на радиусе Солнца, пришлось бы вести наблюдения около ста миллионов лет.
═
– Столько позволить себе ждать мы не можем!
═
– Поэтому пришлось изобретать специальный метод, позволяющий определить из «одномоментных» наблюдений не только поле скоростей, но и скорость вращения спирального узора. Другая сложность, вызванная одномоментностью наблюдений, – доступность для измерения только одной компоненты скорости – по лучу зрения. (Ее астрономы измеряют аналогично тому, как автоинспектор измеряет скорость автомобиля: по величине эффекта Доплера. – В.П.) Вихрь же даже в самом грубом представлении – структура двумерная. Чтобы разрешить эти вопросы, мы и разработали метод решения некорректной задачи – определения трех компонент скорости: азимутальной, радиальной и вертикальной – газового диска, имея данные измеренного поля лишь одной компоненты – лучевой скорости.
═
– А что это за галактические образования, названные «барами»?
═
– Это громадные звездные эллипсоиды, упрощенно напоминающие мяч для игры в регби, так называемые бары. Они вращаются и возбуждают спиральную структуру. Их можно наблюдать в центральной части спиральных галактик в половине случаев. Слово это английское и буквально означает «брус, полено», в русской литературе чаще употребляется термин «галактики с перемычками». Бары могут быть различного происхождения. Они вращаются в плоскости галактического диска, являясь центральными частями спиральных рукавов, и имеют одинаковую с ними скорость вращения. Бар считается быстрым, если скорости дифференциально вращающегося диска и твердотельно вращающегося бара совпадают у концов последнего. Если же скорость вращения бара намного меньше, то его называют медленным. Имевшиеся до последнего времени наблюдательные данные свидетельствовали только в пользу существования быстрых баров.
═
– Однако медленные бары были все-таки предсказаны и открыты российскими учеными?
═
– Неустойчивость радиальных орбит, которая способна из коллапсирующего газового шара создать медленно вращающийся бар, теоретически была еще в 1972 году предсказана группой советских ученых, в их числе В.Л. Поляченко, И.Г. Шухман, Я.Б. Зельдович и А.М. Фридман. Спустя семь лет англичанин Линден-Белл нашел условие существования медленного бара. А в 1994 году В.Л. Поляченко первым обратил внимание на то, что медленные бары должны соединяться с основными спиральными ветвями не непосредственно, а через участок спирали противоположной закрутки. Основные спиральные рукава при этом – это отстающие спирали, вращающиеся «концами назад». Соответственно к медленному бару примыкают участки лидирующих спиралей, вращающиеся «концами вперед».
Впервые существование медленных баров в реальных галактиках было нами доказано в 2000 году в результате анализа наблюдений центральной части галактики NGC 157, полученных американским космическим телескопом имени Хаббла. Выявленная нами структура возмущений в центральной части этой галактики показывает, как от концов бара раскручивается «лидирующая» спираль, вращающаяся «концами вперед». И, лишь сделав примерно пол-оборота, она переходит в основную – «отстающую», в полном соответствии с предсказаниями теории.
═
– Ну, и «крамольный» вопрос: для чего нам, землянам, все эти исследования нужны?
═
– Все исследования подобного типа в первую очередь касаются чисто мировоззренческой стороны наших представлений о мире, в котором мы живем. Масштабы расстояний и времен, с которыми в данном случае мы имеем дело, совершенно никак не укладываются в рамки обыденных человеческих понятий. Например, расстояние от нас до центра галактики по разным оценкам – это 20–30 тысяч световых лет. Световой год – это единичка с 16 нулями, если измерять в метрах. Числа совершенно фантастические. Так что, то, что мы сейчас видим в центре галактики, происходило там 2030 тысяч лет назад. По человеческим меркам это очень давно, но по астрономическим – срок небольшой. Потому мы можем с уверенностью анализировать эти процессы и обсуждать их как современные. Масштабы обнаруженных нами структур – опять же тысячи световых лет, и поэтому галактические циклоны и антициклоны в отличие от земных, которые несут нам изменения погоды, из-за чего мы и беспокоимся, нашу космическую погоду мало определяют. Но с мировоззренческой точки зрения это принципиальная составляющая галактической структуры, определяющая «галактическую погоду» в масштабах, находящихся на самом пределе человеческого восприятия. А, как говорил Кант, человека то и отличает от прочих существ, что он иногда смотрит на небо.
Дарья Гармоненко 