Спіра́льний рука́в () — характерний елемент структури спіральної галактики, який виглядає як спіралеподібна ділянка підвищеної яскравості в диску галактики. Звичайно галактика має два чи декілька спіральних рукавів. У сукупності їх називають спіральним візерунком або спіральною структурою галактики.
Зовнішній вигляд спіральних рукавів досить різноманітний. Галактики з упорядкованою структурою мають симетричний і чіткий візерунок, що складається з двох спіральних рукавів, які простягаються на всю галактику, і навпаки, спіральна структура флокулентних галактик складається з безлічі невеликих фрагментів рукавів, не пов'язаних один з одним.
У різних частинах електромагнітного спектра спіральні рукави мають різний вигляд: у червоних та інфрачервоних променях спіральний малюнок гірше помітний, натомість у блакитних та ультрафіолетових променях він чіткіший, бо саме в цьому діапазоні сильніше світять молоді гарячі зорі, на які багаті спіральні рукави.
Крім підвищеної яскравості, спіральні рукави відрізняються підвищеною концентрацією міжзоряного газу й пилу, яскравих зір і зоряних скупчень, активним зореутворенням, блакитнішим кольором і сильнішим магнітним полем. Внесок спіральних рукавів у загальну світність галактики може сягати 40—50 %. Різні характеристики спіральних рукавів корелюють з іншими властивостями галактик, наприклад, кут закрутки спіральних рукавів пов'язаний з такими параметрами, як маса надмасивної чорної діри в центрі і внесок балджа в загальну світність.
Спіральну структуру вперше виявив 1850 року лорд Росс у Галактиці Вир, але питання природи спіральної структури галактик тривалий час залишалося нерозв'язаним. Існує дві основні теорії, що пояснюють виникнення спіральних рукавів: модель стохастичного самопідтримуваного зореутворення і теорія хвиль щільності. Вони описують різні варіанти спіральної структури й не виключають одна одну. Крім цих теорій, існують інші, які можуть пояснювати виникнення спіральної структури в деяких окремих випадках.
Загальні характеристики
Спіральні рукави — характерні елементи структури спіральних галактик, розташовані в дисках і характеризовані підвищеною яскравістю. Такі структури мають форму спіралей, які в галактиках без бара звичайно виходять з області поблизу центра галактики, тоді як у галактиках з баром вони починаються на кінцях бара. Спіральні рукави не поширюються на весь радіус диска і закінчуються на відстані, за межами якої диск ще можна виявити. Звичайно в галактиці буває два чи більше спіральних рукавів. Їхня сукупність у галактиці називається спіральним візерунком або спіральною структурою.
З усіх масивних галактик близько ⅔ — це спіральні галактики. Спіральні рукави спостерігаються в галактик на червоних зсувах до , а іноді й у дальших, що відповідає моменту часу, коли вік Всесвіту становив менше половини нинішнього. Це говорить про те, що спіральна структура є довготривалим явищем.
Своїм зовнішнім виглядом спіральні рукави значно розрізняються, але загалом вони характеризуються підвищеною концентрацією газу й пилу, у них відбувається активне зореутворення, спостерігається більше зоряних скупчень, зон H II та яскравих зір, ніж у решті диска. Хоча спіральні рукави помітні насамперед завдяки молодому зоряному населенню, концентрація старих зір у них також підвищена.
Залежно від частини електромагнітного спектра, в якій спостерігається галактика, вираженість і зовнішній вигляд спіральних рукавів відрізняються. У блакитній і ультрафіолетовій частині спектра спіральні рукави добре виражені завдяки наявності в них блакитних надгігантів; у червоній і ближній інфрачервоній області більший внесок роблять старі зорі, тому спіральні рукави виглядають менш контрастними, але рівномірнішими. Випромінювання міжзоряного пилу робить спіральні рукави яскравими в далекій інфрачервоній ділянці, а випромінювання нейтрального водню й молекул — у радіодіапазоні. Найбільшу контрастність і кількість дрібних деталей у спіральних рукавах можна помітити при спостереженні в емісійних спектральних лініях, створюваних емісійними туманностями, а також у лініях поліароматичних вуглеводнів, які створюються холодними хмарами газу.
Зовнішній вигляд спіральних рукавів — один із критеріїв морфологічної класифікації галактик. Наприклад, у схемі класифікації Габбла спіральні галактики без бара поділяються на типи Sa, Sb, Sc, а спіральні галактики з баром — SBa, SBb, SBc. Галактики ранніх типів Sa і SBa мають туго закручені й гладкі спіральні рукави, а галактики пізніх типів Sc і SBc — неоднорідні спіральні рукави з більшим кутом закрутки. Типи Sb та SBb мають проміжні характеристики.
Морфологія Спіральна структура галактик досить різноманітна на вигляд. Галактики з упорядкованою структурою () мають симетричний і чіткий візерунок, що складається з двох спіральних рукавів, які тягнуться на всю галактику, — такі об'єкти становлять 10 % від загальної кількості спіральних галактик. Навпаки, спіральна структура флокулентних галактик складається з безлічі невеликих фрагментів рукавів, не пов'язаних один з одним — частка таких галактик серед спіральних дорівнює 30 %.
Інші галактики відносять до проміжного типу — багаторукавних спіральних галактик, які мають властивості як флокулентних, так і впорядкованих. Наприклад, вони можуть бути схожі на галактики з упорядкованою структурою, але мати більш ніж два рукави або впорядковану структуру з двох рукавів у внутрішніх частинах, яка стає неправильною на периферії. Проте практично завжди у спіральній структурі присутні елементи обох видів структури: навіть у галактиках з упорядкованою структурою є деталі, які не вписуються в глобальний спіральний візерунок. Трапляються й такі галактики, що при спостереженні в різних спектральних діапазонах демонструють різний вид спіральної структури. Відмінність між двома основними типами спіральних рукавів пов'язана з принциповими фізичними відмінностями між ними.
Також існує поділ спіральних рукавів на масивні () і ниткоподібні (). У першому випадку рукави широкі, дифузні й не надто контрастують з простором між ними, а в другому — вузькі й чітко окреслені.
Форма і кут закручування
Форма рукава звичайно параметризується кутом закручування (або кутом закрутки) , який дорівнює куту між дотичною до спірального рукава в певній точці і перпендикуляром до радіуса, проведеного в цю точку. У більшості спіральних галактик середній кут закрутки становить від 5° до 30°. Спіральні рукави з малим кутом закрутки також називають туго закрученими, з більшим кутом закрутки — розкритими.
Форма спіральних рукавів часто спрощено описується логарифмічною спіраллю, також іноді спіральні рукави описуються архімедовою або гіперболічною спіраллю. У разі логарифмічної спіралі кут закрутки постійний, в архімедовій зменшується зі зростанням відстані від центру, а в гіперболічній зростає. Вимірювання кутів закручування в галактиках показує, що лише в меншості спіральних галактик кути закрутки в рукавах близькі до сталих значень, а у понад 2/3 галактик кут закручування варіюється більш ніж на 20 %. Середній кут закрутки корелює з різними параметрами галактики, наприклад, у галактик з яскравішими балджами спіральні рукави закручені тугіше.
Спіральні рукави можна розділити на відстаючі () або випереджаючі (). Кінці відстаючих спіральних рукавів спрямовані у бік, протилежний напряму обертання галактики, а у випереджаючих рукавів — у той самий бік, куди обертається галактика. На практиці важко визначити, чи є рукави певної галактики випереджаючими або відстаючими: галактика не повинна бути нахилена до картинної площини занадто сильно, щоб спіральна структура була помітна, але деякий нахил необхідний, щоб можна було виміряти напрямок обертання, крім того, має бути можливість визначити яка сторона галактики розташована ближче до спостерігача. Різні спостереження показують, що більшість галактик має відстаючі спіральні рукави, а випереджаючі рідкісні: наприклад, із двох сотень досліджених у такий спосіб галактик тільки у двох рукави можуть бути випереджаючими. Іноді зустрічаються галактики, що мають і випереджаючі, і відстаючі спіральні рукави — наприклад, NGC 4622. Чисельне моделювання показує, що випереджаючі спіральні рукави можуть виникати в особливих випадках — наприклад, якщо гало темної матерії обертається в бік, протилежний до обертання диска галактики.
Ширина спіральних рукавів у більшості галактик зростає зі збільшенням відстані від центра. Найбільшу ширину мають рукави в галактиках з упорядкованою структурою.
Світність і колір
Відношення світності спіральної структури до світності всієї галактики найвище для спіральних галактик з упорядкованою структурою: для них це відношення становить у середньому 21 %, а для деяких галактик може досягати 40—50 %. Для флокулентних і багаторукавних галактик це відношення становить 13 % і 14 % відповідно. Також частка спіральних рукавів у загальній світності підвищується в пізніших морфологічних типах: для галактик типу Sa вона становить у середньому 13 %, а для Sc — 30 %.
Колір спіральних рукавів стає блакитнішим для галактик пізніх морфологічних типів. Показник кольору g-r для галактик типу Sc становить близько 0,3-0,4m, а для галактик типу Sa — 0,5-0,6m.
Існують і так звані анемічні галактики. Вони відрізняються нечітким, слабким спіральним візерунком, що викликано меншою кількістю газу і, отже, нижчим темпом зореутворення, ніж у звичайних спіральних галактик того самого морфологічного типу. Анемічні галактики найчастіше зустрічаються в скупченнях галактик — імовірно, на галактики в скупченнях діє лобовий тиск (), через що вони швидко втрачають газ. Передбачається, що цей тип галактик може бути проміжним між спіральними і лінзоподібними галактиками.
Магнітне поле У спіральних рукавах спостерігаються сильніші магнітні поля, ніж у решті галактики. Середнє значення магнітних полів у спіральних галактиках становить 10 мікрогаус, а в їхніх спіральних рукавах — 25 мікрогаус. У галактиках з вираженим спіральним візерунком магнітні поля орієнтовані вздовж рукавів, хоча в деяких випадках магнітне поле може утворювати окрему спіральну структуру в просторі між видимими спіральними рукавами. Своєю чергою магнітні поля можуть впливати на рух газу в галактиці й сприяти формуванню спіральних рукавів, хоча вони занадто слабкі, щоб відігравати в ньому провідну роль.
Зв'язок параметрів спіральних рукавів з іншими властивостями галактики Параметри спіральних рукавів корелюють з іншими властивостями галактики. Наприклад, відомо, що галактики з більшим кутом закрутки звичайно мають нижчу масу надмасивної чорної діри в центрі і меншу масу всієї галактики, менший внесок балджа в загальну світність, нижчу дисперсію швидкостей у центрі, а їхні криві обертання демонструють більше зростання, але ці залежності не надто сильні. Хоча кут закрутки спіральних рукавів спочатку був введений у морфологічну класифікацію галактик як один із критеріїв класифікації, виявилося, що ця величина корелює з морфологічним типом навіть слабше, ніж, наприклад, показник кольору спіральних рукавів. Кореляцію кута закрутки зі згаданими параметрами можна пояснити теоретично: описані величини пов'язані з розподілом маси в галактиці, а розподіл маси, своєю чергою, визначає поширення хвиль густини в диску галактики.
Контрастніші й чіткіше виражені спіральні рукави спостерігаються в масивніших галактик з більш упорядкованою структурою. Також контрастність спіральних рукавів вища в галактиках з вираженим баром, але ця кореляція слабка. Флокулентні галактики в середньому мають меншу масу і пізніший морфологічний тип, ніж галактики з упорядкованою структурою.
Спіральна структура Чумацького Шляху
Про наявність спіральних рукавів у диску нашої Галактики важко зробити висновок, спостерігаючи в оптичному діапазоні, оскільки Сонце знаходиться в площині диска Чумацького Шляху, а світло сильно поглинається міжзоряним пилом. Однак спіральні рукави можна помітити, наприклад, при складанні карти розподілу нейтрального водню або молекулярних хмар.