Nie bez powodu są nazywane najpiękniejszymi obiektami we Wszechświecie. Młode, jasne gwiazdy podążają za ramionami spirali, a ciemne pasy pyłu międzygwiezdnego nadają całemu obiektowi dramatyczny wygląd.

Z zasady łatwo jest otrzymać takie ramię spiralne. Z różnych przyczyn obiekty w dysku galaktyki łączą się, ale nie pozostaną one bezkształtną masą przez dłuższy czas. Gwiazdy i chmury gazowe blisko jądra okrążają galaktykę szybciej niż obiekty na peryferiach, co prowadzi do rozciągnięcia materii w kształt ramienia spiralnego.

Jednakże podążając tym tokiem rozumowania, ramię szybko powinno „zwinąć” się do centrum galaktyki, niszcząc spiralny kształt, a tak się jednak nie dzieje. Z tego powodu od ponad 50 lat astronomowie debatują na temat przyczyny utrzymywania się tego kształtu. Być może, jak wielu z nich sądzi, to nie gwiazdy tworzą ramię –  tylko nim podążają. Sama spirala powstać by miała ze zjawiska nazywanego spiralnymi falami gęstości. Opublikowane 10 sierpnia w Astrophysical Journal Letters badania pokazują wyczekiwany od wielu lat dowód na istnienie tych fal.

Ustąpić nadchodzącym gwiazdom

Jeśli kiedykolwiek zdarzyło ci się zwolnić na ruchliwej autostradzie, doświadczyłeś czegoś w rodzaju fali gęstości. Szybko jadące samochody napotykają miejsce, w którym muszą zmniejszyć swoją prędkość. Jak tylko je ominą, przyspieszają znowu. I mimo, że samochody wciąż mijają daną przeszkodę, korek cały czas powoli rozciąga się na autostradzie.

Ta sama rzecz dzieje się w galaktykach spiralnych. Nawet jeśli chmura materii w dysku rozciągnie się do spirali, wszystkie gwiazdy i chmury pyłu wciąż będą poruszać się po ramieniu, tak samo jak samochody kontynuują jazdę po chwilowym zatorze.

Co ważne, pył, gaz oraz gwiazdy przyspieszają i zwalniają poprzez reakcję łańcuchową – spiralną falę gęstości – poruszającą się po całej galaktyce.

Spirala tworzy się, gdy rozchodząca się fala gęstości kompresuje gaz, prowadząc do powstania gwiazd. Najmłodsze, najjaśniejsze gwiazdy będą zatem tymi najbliższymi jądra i stworzą spiralny kształt. Z czasem gwiazdy te oddalą się od centrum galaktyki, a będąc już u kresu swojego istnienia, znajdą się już na końcu ramienia spiralnego, po czym, w zależności od ich masy, wybuchną bądź zamienią się w białe karły, zapobiegając nawijaniu się spirali.

Nie oznacza to jednak, że zjawisko zwijania się ramion w ogóle nie następuje. Bardzo ważny wniosek wypływa z tego scenariusza: jak ciasna będzie obserwowana spirala, zależy od tego jaką populację gwiazd w niej obserwujemy. Z upływem czasu gwiazdy oddalają się od fali gęstości i – dlatego, że gwiazdy bliżej jądra galaktyki poruszają się szybciej niż gwiazdy zewnętrzne – ruch orbitalny zawija spiralę, zacieśniając ją.

Jedynie gorące, niebieskie, szybko umierające gwiazdy wyłamują się z tego procesu, gdyż umierają zaraz po opuszczeniu fali gęstości. Podążają one po luźniejszym, bardziej rozproszonym ramieniu. Dlatego też w zależności od długości fal w jakich obserwujemy daną galaktykę, widzimy albo ciasną, zwartą spiralę (stare, czerwone gwiazdy) albo luźne, słabo uformowane ramię (duże, niebieskie gwiazdy).

Diagram pokazuje jak rozchodząca się spiralna fala gęstości (szary pas) kompresuje gaz (czarny) doprowadzając do powstania młodych gwiazd (niebieski), które następnie zwijają się do ciasnego ramienia złożonego ze starych gwiazd (czerwony).

Fale gęstości wykryte

Do niedawna astronomowie nie dali rady zaobserwować tego efektu. Dopiero badania przeprowadzone przez Hamed Pour – Iman’ego (University of Arkansas) i jego współpracowników dały dowody na istnienie fal gęstości. Grupa naukowców badała archiwalne zdjęcia 28 spiralnych galaktyk w dalekiej podczerwieni, bliskiej podczerwieni, świetle widzialnym i ultrafiolecie. Daleka podczerwieni ultrafiolet wskazały miejsca formowania się gwiazd, a bliska podczerwień i światło widzialne emitowane były głównie przez starsze obiekty na obrzeżach

Badania te dokładnie pokrywają się  z przewidywaniami. Ramiona składające się ze starych gwiazd obiegają centrum galaktyki po ciasnych spiralach, a te stworzone z nowo powstałych po spiralach mniej zwartych. Dokładnie tak, jak wyliczyli naukowcy całkowita zgodność obserwacji z przywidywaniami zdaje się być dużym krokiem w stronę potwierdzenia teorii spiralnych fal gęstości.

Autor

Wiktoria Szulik