Волна переменного гравитационного поля пробегает диск за время порядка десятка тысяч лет. Образованные ею сгущения постепенно размываются вращением за время порядка времени оборота звездной системы (около 100 млн лет). Возраст галактик больше десяти миллиардов лет. Поскольку наблюдается большое число галактик с отчетливо выраженным спиральным узором, можно утверждать, что спиральная структура существует на протяжении десятков оборотов системы. Значит, эта структура должна как-то противостоять изменениям, которые связаны с неоднородным вращением. Объяснить длительное существование спиральной структуры, возможно, удастся с помощью теории волн плотности, которая была предложена в 1964 г. американскими астрофизиками Ц. Лином и Ф. Шу.

По-видимому, наблюдаемые галактические структуры образуются при взаимодействии неоднородно-стей среды. Одна из первых моделей была проанализирована шведским астрономом Б. Линдбладом еще в 1947 г. Линдблад рассмотрел эволюцию круговых орбит в сильно сжатом звездном диске. Оказалось, что коллективное взаимодействие звезд может привести к появлению во внешних частях системы областей с более плотным по сравнению с окружением распределением орбит звезд. Эти уплотнения имеют спиральную структуру.

Спиральная волна в звездной системе возникает следующим образом. Коллективное гравитационное поле звезд стремится сжать систему. Звезда, смещающаяся в радиальном направлении, испытывает во вращающейся системе отсчета действие силы Кориолиса. Эта сила стремится вернуть звезду на первоначальную орбиту так, чтобы не изменился орбитальный момент вращения звезды. В результате звезда движется по эллипсу, центр которого движется по орбите вокруг центра галактики. Этот эллипс, следуя терминологии древних греков, назвали эпициклом. Направление движения по эпициклу противоположно направлению движения по орбите. Период эпициклического движения зависит от того, на каком расстоянии от центра системы находится звезда. В случае когда периоды эпициклического и орбитального движения совпадают, возникает резонанс. Траектория звезды вблизи резонанса неустойчивая. В областях этих резонансов Линдблада не могут существовать устойчивые уплотнения в распределении орбит: траектории звезд перемешиваются и уплотнение орбит исчезает. Поэтому спиральная волна может существовать только в областях между резонанса ми Линдблада. Время жизни спиральной волны плотности Линдблада - около одного периода оборота галактики (несколько сотен миллионов лет).

Спиральные волны могут возникать благодаря взаимодействию неоднородностей плотности межзвездной среды. Согласно наблюдениям межзвездная среда состоит из гигантских облаков нейтрального водорода размером в несколько десятков парсеков и с массами около миллиона солнечных масс. Возникновение облаков связано с тепловой или гравитационной неустойчивостью межзвездной среды. Гравитационная неустойчивость развивается, если пространственный масштаб облака превышает масштаб тепловых движений в среде. В этом случае облако медленно сжимается под действием собственного тяготения.

Появление спирального узора благодаря взаимодействию неоднородностей плотности может происходить следующим образом. Пусть в некоторый начальный момент в межзвездной среде имеются гравитационно неустойчивые облака. Облака двигаются в галактическом диске по сложным траекториям. Траектория каждого облака определяется гравитационным взаимодействием облака со всей системой и с другими облаками. Неоднородность гравитационного поля, которая создается любым облаком, распространяется по диску в виде спиральной волны. Суммарное гравитационное поле всех облаков называют полем коллектизного взаимодействия или просто коллективным полем.

Когда существенны эффекты коллективного поля? Любые изменения поля каждого облака приводят к изменению коллективного поля, которое в свою очередь влияет на эволюцию любого облака. Если характерное время изменения коллективного поля меньше периода вращения галактики, то роль коллективного поля существенна. В этом случае все облака эволюционируют согласованно друг с другом. Расчет показывает, что коллективное поле обладает крупномасштабной структурой. Крупномасштабная структура проявляется в распределении облаков по диску, т. е. облака расположены не случайным образом, а там, где значение потенциала коллективного поля максимально. Облака двигаются с различными скоростями и постепенно должны отставать друг от друга. Но коллективное поле так перемешивает скорости облаков, что они уже двигаются без отставания. Появившуюся коллективную структуру возможно и наблюдают в спиральных галактиках.

Интересно, что тип структуры зависит от начальных свойств облаков. Например, если начальные скорости облаков отличаются от кеплеровских, то могут возникать спирали с перемычкой или даже кольцеобразные структуры.

И.К. Розгачева