Распределение яркости на фотографии галактики определяет ее морфологический тип. Интересно установить связь между этим непосредственно наблюдаемым распределением и динамикой галактического вещества. Например, цвет галактик от Е-систем к Ir-системам изменяется: Ir-галактики самые голубые, S-галактики уже краснее, а Е-галактики самые красные.

Цвет галактики, ее светимость и скорость вращения характеризуют галактики как целое, а морфологический тип связан с локальным распределением светящегося вещества по диску. Количественно морфологический тип галактики можно характеризовать фрактальной размерностью D распределения яркости по диску.

Фракталы, или фрактальные множества, были введены в физику американским математиком Б. Мандельбротом в 1977 г. Мандельброт назвал фракталами (от английского слова ГгасИоп - дробный, частичный) множества, для которых размерность Хаусдорфа больше топологической размерности. Топологическая размерность - это обычная геометрическая размерность. Например, топологическая размерность отрезка линии равна 1, квадрата - 2, куба - 3.

В 1919 г. немецкий математик Ф. Хаусдорф ввел особую размерность для множеств, которые составляют часть от топологического множества. Обычный отрезок состоит из бесконечного числа точек. Какая будет размерность у множества, состоящего из большого, но конечного числа точек, которые расположены на отрезке? Оказывается, что хаусдорфова размерность этого множества больше нуля (нуль - топологическая размерность точки), но меньше единицы. Множество точек еще не отрезок линии, но уже и не точка. Аналогично, хаусдорфова размерность ломаной линии, заполняющей, например, квадрат на плоскости, больше 1, но меньше 2.

Оказалось, что хаусдорфова размерность позволяет количественно сравнивать различные сложные структуры, которые наблюдают в космосе. Анализ фрактальных свойств пространственного распределения галактик в сверхскоплениях недавно выполнили в Тартуской обсерватории Я.Эйнасто с сотрудниками. Было установлено, что сверхскопление в созвездие Дева представляет собой плоскую структуру (D = 1,35). Интересно, что в пространственных масштабах, превышающих масштабы сверхскоплений (300 Мпк), хаусдорфова размерность распределения галактик близка к топологической размерности трехмерного пространства. Так должно быть, если распределение вещества в наблюдаемой Вселенной однородно в больших пространственных масштабах.

Вернемся к внутренней структуре распределения яркости по диску галактики. Фрактальные свойства этого распределения зависят от физических процессов, идущих в галактике. Поэтому фрактальная размерность D наблюдаемого распределения яркости зависит от физических свойств галактики. Например, при переходе от Е-галактик к S-галактикам фрактальная размерность уменьшается. Для каждой модели образования галактической структуры можно вычислить теоретическое значение D и сравнить с наблюдаемой фрактальной размерностью.

Спиральный узор галактик - замечательный пример упорядоченного движения среды в грандиозных масштабах. Ширина спиральных ветвей достигает тысяч парсеков. Существует спиральный узор в течение сотен миллионов лет.

Происхождение спирального узора связано с вращением галактики и развитием в галактической среде динамической неустойчивости. Угловая скорость вращения убывает с ростом расстояния от центра. Зависимость угловой скорости от расстояния такая, какая должна быть в том случае, когда каждая частица галактического вещества свободно падает на центральные области системы.

Пусть в некоторый момент в распределении вещества имеется неоднородность, расположенная вдоль радиуса звездной системы. Поскольку внешние области вращаются медленнее, чем внутренние, со временем неоднородность закрутится в спираль. Оказывается, что аналогичную форму приобретает неоднородность любой природы. Например, если в некоторый момент из-за локального увеличения плотности возникло локальное возмущение гравитационного поля, то по диску побежит спиральная волна гравитационного потенциала. В поле этого переменного потенциала будут возникать периодические сгущения вещества, которые получили название волн плотности. То, что спиральная структура является волновым процессом, подтвердили исследования поля скоростей звезд нашей Галактики. Советские астрономы Е. Д. Павловская, Ю. Н. Мишуров и А. А. Сучков показали, что поле скоростей звезд имеет периодическую структуру спиральной формы.

И.К. Розгачева