Результаты проекта Galaxy Zoo заставляют пересмотреть теорию образования спиральных рукавов галактик

Рис. 1. Камертон Хаббла, проиллюстрированный галактиками, которые использовал сам Хаббл. Эти красивые снимки получены, конечно, сильно позже: они взяты из данных обзора SDSS. Класс Sa представляет знаменитая галактика Сомбреро, класс Sc — галактика Вертушка. Линзовидные галактики (класс S0) во времена Хаббла еще не были известны, поэтому на изображение помещена галактика NGC 6278, в то время уже открытая, но недостаточно изученная. Рисунок из обсуждаемой статьи в MNRAS

В 1924 году Эдвин Хаббл окончательно доказал, что во Вселенной есть и другие галактики помимо нашего Млечного Пути. В 1926 году он опубликовал первый вариант классификации галактик по их внешнему виду и строению. Эта классификация уточнялась в течение всего XX века и в итоге стала общепринятой. Однако новое исследование, использовавшее результаты работы проекта гражданской науки Galaxy Zoo, участники которого вручную классифицировали тысячи галактик, показало, что здесь далеко до полной ясности. Выяснилось, что зависимость между массой балджа галактики и плотностью спиральных рукавов на самом деле не является прямой, как считалось ранее: у галактик с небольшим балджем рукава бывают как слабо, так и плотно намотаны вокруг центра. Из-за этого, по-видимому, надо пересматривать и теории формирования рукавов в спиральных галактиках.

В последнее десятилетие XIX века астрономы стали подозревать, что обнаруженные в середине того века «спиральные туманности» (тут надо оговориться, что несколько ближайших галактик — Большое и Малое Магеллановы облака, Туманность Андромеды и галактика Треугольника — были известны еще в средние века, но об их истинной природе ученые не догадывались), которые в то время можно было наблюдать только в несколько самых крупных телескопов, могут быть такими же звездными системами (галактиками их тогда еще не называли), как и наш Млечный Путь. Чтобы доказать это, нужно было узнать расстояние до этих структур, поскольку небольшая планетарная туманность в пределах нашей Галактики и огромная спиральная галактика, удаленная от нас на миллионы световых лет, будут иметь одинаковый угловой размер и выглядеть очень похоже.

Дискуссии велись не один десяток лет (см., например, Большой спор), а окончательную точку в них поставил в 1924 году Эдвин Хаббл (Edwin Hubble). Имея доступ к самому совершенному на тот момент телескопу — 2,5-метровому телескопу Хокера в обсерватории Маунт-Вилсон, он первым разглядел отдельные переменные звезды в этих туманностях и, использовав установленную за несколько лет до этого зависимость между светимостью звезды и периодом ее пульсаций, смог надежно установить, что эти звезды и туманности не могут находиться в Млечном Пути, а значит, представляют собой отдельные, очень удаленные от нас структуры, которые мы сейчас называем галактиками. Этот поразительный результат настолько увеличивал размеры известной человечеству Вселенной, что был впервые опубликован — неслыханное дело — не в научном журнале, а в газете The New York Times в виде небольшой заметки Finds Spiral Nebulae Are Stellar Systems. Dr. Hubbell confirms view that they are ‘Island Universes’ similar to our own (ее полный текст можно прочитать здесь). Забавно, что репортер ошибся в написании фамилии Хаббла.

В 1926 году в Astrophysical Journal вышла ставшая знаменитой статья Хаббла, в которой была предложена первая классификация галактик (E. P. Hubble, 1926. Extragalactic nebulae). Он разделил галактики по внешнему виду на эллиптические и спиральные. Эллиптические галактики он классифицировал по степени вытянутости (от сферических, E0, до сигарообразных, E7), а спиральные, в свою очередь, — на два подтипа: с перемычкой (по-английски bar, SB) и без нее (S). В этой статье также высказывалась сильная идея о том, что существуют еще не открытые на тот момент галактики переходного типа — линзовидные (обозначенные S0). Ветвь эллиптических и две ветви спиральных галактик встречались как раз в точке S0, образуя знаменитый камертон Хаббла (рис. 1).

Спиральные галактики (и с баром, и без него) делились на 3 класса в зависимости от размера внутренней, наиболее яркой части, которая имеет сферическую форму и называется балджем, а также от степени закрученности спиралей вокруг нее: галактики классов Sa и SBa имеют самый большой балдж и самую плотную намотку спиральных рукавов, затем идут классы Sb и SBb, а у галактик из классов Sc и SBc балдж, как правило, трудно различим, а рукава слабо закручены.

Как видно, уже в самом начале исследования спиральных галактик была замечена связь между размерами балджа и формой спиралей: чем более выражен балдж, тем сильнее намотаны на него спирали.

Несмотря на то, что многие предположения Хаббла об эволюции галактик (например, о переходе эллиптических галактик в спиральные по мере развития) позже не нашли подтверждения и были отвергнуты научным сообществом, сама классификация оказалась очень удобной. Второй половине XX века в работах Аллана Сэндиджа и Жерара де Вокулера были установлены более четкие критерии классификации, добавлен еще один класс спиральных галактик с самым тусклым балджем (Sd), а камертон Хаббла был окончательно утвержден в качестве удобной и универсальной классификации галактик, вошедшей во все учебники по астрономии.

Дальнейшее накопление наших знаний о галактиках показало удивительно тесную связь между морфологией (фактически — орбитами звезд) галактики и ее эволюционным путем. Это значит, что благодаря классификации можно многое сказать об истории галактики (как в ней шло звездообразование, были ли столкновения с другим галактиками, как менялись содержание газа и полная звездная массы и т. д.) в тех случаях, когда другой информации нет. В итоге со временем некоторые свойства галактик стали определять просто исходя из ее классификации: сначала после визуальной классификации относить ее к одному из типов (например, к типу SBc), а потом из этого выводить соотношения между массами различных ее компонентов (балдж, спиральные рукава, гало) и другие характеристики (даже средний возраст ее звездного населения).

Возникает вопрос: а насколько такой подход правомочен? Насколько можно доверять классификации, которая была составлена по результатам исследований нескольких сотен галактик (в оригинальной работе Хаббл анализировал всего около трех сотен галактик)?

Сейчас, в эпоху Big Data, количество известных галактик превысило несколько десятков миллионов и очень соблазнительно использовать этот объем информации для уточнения и перепроверки некоторых старых гипотез и теорий, на которые принято полагаться в астрономическом сообществе. Несмотря на то, что автоматические классификаторы, использующие машинное обучение, уже существуют и помогают в работе, для точной и надежной классификации все еще нужны люди — много людей, и даже астрономов всей планеты тут не хватит. На помощь приходит так называемая гражданская наука — привлечение добровольцев, многие из которых могут не иметь специального образования, для решения научных задач: в 2007 году был основан проект Galaxy Zoo, участники которого должны были помочь с визуальной классификацией галактик Слоановского цифрового обзора неба (SDSS).

Для них подготовили специальные цветные снимки галактик, полученные наложением оригинальных снимков, сделанных в трех разных фильтрах (рис. 2). Эти снимки нужно описывать, отвечая на вопросы вроде «Галактика эллиптическая или спиральная?», «Видите ли вы признаки перемычки?», «Есть ли на снимке признаки спиральных рукавов?», «Насколько велик балдж по сравнению со всей галактикой?» одним из предложенных вариантов ответа. Несмотря на кажущуюся простоту вопросов, участники проекта, фактически, повторили работу Эдвина Хаббла, только на намного большем числе объектов: вместо трех сотен галактик, учтенных в оригинальной работе Хаббла, на этот раз были классифицированы почти 300 000 галактик — в том числе намного более тусклых и меньших по размеру. Поскольку любой человек — неважно, астроном он или нет — может ошибиться, то каждую галактику независимо классифицировали 40 человек и ее финальное описание определялась с учетом разброса мнений.

Рис. 2. Случайно выбранные галактики из числа предлагавшихся для анализа участникам проекта Galaxy Zoo. Верхний ряд — галактики, имеющие какие-нибудь особенности (спирали, балджи, яркие узлы скоплений и т. д.). Нижний ряд — эллиптические галактики, у которых нельзя выделить отдельных ярких признаков. Эти восемь галактик находятся от нас на одном и том же расстоянии (400 млн св. лет), а значит разница в видимых размерах и яркости обусловлена разными физическими размерами этих галактик (самые маленькие галактики — слева, самые крупные — справа). Рисунок из обсуждаемой статьи в MNRAS

Работу участников проекта Galaxy Zoo проанализировала группа астрономов под руководством Карен Мастерс (Karen L. Masters) из Хаверфордского колледжа. К их удивлению обнаружилось, что существующая классификация по Хабблу не точна, а значит определение физических характеристик галактики по ее принадлежности к тому или иному классу может приводить к ошибкам.

Как говорилось выше, разделение спиральных галактик по классам Sa, Sb, Sc, Sd было завязано одновременно на размер балджа и на степень закрученности спиральных рукавов. В неоднозначных случаях классификация определялась именно по закрученности: например, если балдж не очень большой и, скорее, соответствует типу Sс, но при этом спиральные рукава плотно намотаны, то галактику относили к типу Sa. Сейчас стало понятно, что закрутку рукавов нельзя использовать в качестве надежного критерия и надо опираться только на размер балджа.

Чтобы показать это, авторы статьи охарактеризовали степень «намотки» спиральных рукавов через численный параметр w_avg: при w_avg = 1,0 рукава очень плотно прилегают к балджу, а при w_avg = 0,0 — расходятся от него достаточно просторно. Размеры балджа определяются параметром B_avg, который меняется от нуля (для галактик без балджа) до единицы (для галактик, в которых балдж является самой значительной частью). Мастерс с коллегами значительно проредили изначальный каталог галактик, оставив только те снимки, где галактики не скрыты за областями газа или пыли, а также располагаются так, что структура рукавов и балджей ясно видна, а значит возможность ошибки при классификации минимальна. В итоговую выборку попали только 4830 галактик, но этого количества вполне достаточно, чтобы увидеть несоответствия между существующей теорией и текущими наблюдениями (рис. 3).

Рис. 3. Основные результаты обсуждаемой работы. По вертикальной оси отложен параметр w_avg, отражающий закрученность спиралей галактики, по горизонтальной оси — параметр B_avg, выражающий размеры балджа. Черная пунктирная линия качественно иллюстрирует прежние представления о строении галактик: малым балджам соответствует слабая намотка, массивным балджам — тугая намотка. Однако реальное распределение галактик на этом графике (каждая точка — отдельная галактика, серые области — от самой темной к самой светлой — соответствуют 0,5, 1, 1,5 и 2 стандартным отклонениям) свидетельствует о том, что если большим балджам действительно скорее свойственно иметь плотно намотанные спирали, то для малых балджей и близко не наблюдается преобладание слабой намотки. Красной и синей линиями показаны медианные значения плотности намотки и размера балджей, соответственно. Рисунок из обсуждаемой статьи в MNRAS

О том, что галактики с массивными балджами могут иметь только туго намотанные спирали, было известно и раньше. Это неудивительно, ведь обычно такие балджи бывают у массивных и ярких галактик, которые можно было уверенно наблюдать еще во времена Хаббла. Галактики же с малым балджем (то есть заведомо менее яркие), как оказалось, могут иметь все возможные типы спиралей. Это наблюдение можно интерпретировать как открытие переменной скорости эволюции спиралей в зависимости от размера балджа (чем он массивнее, тем быстрее спирали, которые изначально могут иметь любую форму, окажутся плотно намотанными и прижатыми к балджу) и, вероятно, оно приведет к смене основной теории, объясняющей формирование спиралей — теории статических волн плотности.

Эта теория, предложенная в 1964 году астрофизиками Цзя-Цзяо Линем и Фрэнком Шу, впервые дала математическое описание спиральных рукавов как неподвижных участков повышенной звездной плотности, в которые периодически попадают отдельные светила во время своего многомиллионнолетнего обращения вокруг центра галактики. Аналогией этой теории может быть автомобильная пробка, которая сама не движется, хотя машины сначала приближаются к ней на обычной скорости, потом медленно ползут в пробке, а потом снова ускоряются (такие эффекты обсуждаются в задаче Волновые эффекты в пробках). Математические уравнения, описывающие рукава в теории волн плотности, увязывали углы, под которыми спирали намотаны на балдж, с массой галактики (которая напрямую зависит от размера балджа). Немного неуклюжая, эта теория тем не менее смогла дать стройное объяснение долговременности спиралей: все предыдущие модели (а также наш жизненный опыт) показывали, что в любой динамической системе спирали должны исчезать, либо быстро удаляясь от центра, либо наоборот, «наматываясь» на центральную область.

За последующие 50 лет копились наблюдения и результаты набирающих силу компьютерных симуляций, из которых следовало, что теория Линя и Шу неполна и, возможно, требует пересмотра. Однако результаты симуляций не считаются доказательством в астрофизике, а наблюдения были основаны либо на конкретных галактиках, не вписывающихся в теорию, либо на небольших выборках таких галактик, так что эта теория оставались на плаву.

Со временем появились теории, в которых поведение спиральных рукавов объясняется приливными силами: в них рукава являются самостоятельными объектами — они гравитационно связывают звезды и вместе со звездами вращаются вокруг центра галактики, изменяясь со временем. Если какая-нибудь из этих теорий верна, то наблюдения, представленные на рис. 3, легко объяснить: в молодых спиральных галактиках изначально могут образовываться спиральные рукава разной формы и закрученности. При этом рукава не являются статическими образованиями, они эволюционируют и плотнее наматываются на галактику под воздействием массы ее центральной части и чем балдж массивнее, тем быстрее это происходит.

Возможно также, что дополнительно на формирование спиралей играют перемычки (бары), которые есть в ряде галактик — по наблюдениям авторов обсуждаемой статьи, чем более ярко выражена перемычка, тем слабее намотка спиралей в галактике.

Авторы замечают, что, как это ни удивительно, но через 170 лет после открытия первых спиральных структур в «звездных туманностях», мы все еще не до конца понимаем, как они формируются. На самом деле в уточнении классификации нет ничего страшного: ситуация, когда по мере накопления знаний открываются новые детали, и старая классификация теряет актуальность, не нова — достаточно вспомнить «разжалование» Плутона из планет в карликовые планеты из-за открытия других транснептуновых объектов, орбиты некоторые из которых относительно близки к орбите Плутона.

Если вы хотите помочь астрономам, то на сайте zooniverse.org есть много активных проектов на выбор: можно искать экзопланеты, звездные скопления в ближайших галактиках, гравитационные линзы, метеоры, коричневые карлики, малые планеты за Нептуном и многое другое.

Источник: Karen L. Masters et al. Galaxy Zoo: unwinding the winding problem — observations of spiral bulge prominence and arm pitch angles suggest local spiral galaxies are winding // MNRAS. 2019. DOI: 10.1093/mnras/stz1153.

Марат Мусин