Вопросы про рукава спиральных галактик

[Otpe3ok]

Здравствуйте. Мой вопрос о спиральных рукавах галактик. Что это ?
Я дилетант и начал с вики. Выделю фразы, которые хотелось бы уточнить:

Цитата:

Спиральные рукава представляют собой области активного звездообразования и состоят по большей части из молодых горячих звёзд; именно поэтому рукава хорошо выделяются в видимой части спектра. Абсолютное большинство наблюдаемых спиральных галактик вращается в сторону закручивания спиральных ветвей.

Сразу возникли вопросы:
1. Если это "области" звездообразования, значит они перемещаются, как волны. Т.е. наиболее яркие места(рукава) - это места, где рождаются звезды из пыли и газа, а темные области - это где старые звезды и(или) только газ и пыль.
2. Если так, значит скорость звездообразования (рукавов) не обязана: а) перемещаться в направлении движения самих объектов из которых они рождаются; б)двигаться с той же скоростью, что и сами объекты из которых образуются звезды (новые, яркие) ?
По второму выделенному:
1. "Большинство" это не оговорка ? Или действительно, в некоторых галактиках, рукава - видимые яркие области светимости (волны звездообразования) распространяются в обратную сторону общему движению масс их порождающих ?

Из дальнейшего, вроде бы появляется ответ на вопрос №2:

Цитата:

Известен следующий парадокс: время обращения звёзд вокруг ядра галактики составляет порядка 100 миллионов лет; возраст самих галактик в несколько десятков раз больше. Между тем спирали закручены как правило на небольшое число оборотов. Парадокс объясняется тем, что принадлежность звёзд спиралям не постоянна: звёзды входят в область, занимаемую спиральным рукавом, на некоторое время замедляют своё движение в этой области, и покидают спираль. Между тем спираль, как область повышенной плотности вещества в диске спиральной галактики, может существовать неограниченно долго — спирали подобны стоячим волнам.

Однако, ниже читаем:

Цитата:

Спирали галактик могут несильно отличаться по количеству звёзд от окружающего их диска, но могут быть существенно ярче…
Солнце интересно тем, что расположено между спиральными рукавами Галактики и делает оборот вокруг центра Галактики в точности за то же время, что и спиральные рукава. Как следствие, Солнце не пересекает области активного звездообразования, в которых часто вспыхивают сверхновые — источники губительного для жизни излучения.

В связи с этим вопросы:
1. Если количество звезд несильно отличается в рукавах и темных областях, значит их массы примерно равны ? Т.е. диск в среднем однороден (темные области шире чем рукава, что компенсирует более высокую массу молодых звезд в последних) ?
2. Много ли звезд подобных Солнцу, которые движутся со скоростью волны звездообразования ?

Хотелось бы понять по аналогии, с чем можно сравнить спиральную галактику. Похоже на тусклые пылинки в вязкой закрученной жидкости, которую озаряют волны света, как на новогодних гирляндах. Причем скорость и направление движения самих "светодиодов" и бегущей по ним волны света можно регулировать почти независимо ?

[Munin]

Otpe3ok в сообщении #1329103 писал(а):

Сразу возникли вопросы:
1. Если это "области" звездообразования, значит они перемещаются, как волны. Т.е. наиболее яркие места(рукава) - это места, где рождаются звезды из пыли и газа, а темные области - это где старые звезды и(или) только газ и пыль.

Да. Яркие молодые голубые звёзды в спиральной галактике сосредоточены в основном в рукавах (и в центре, кажется). А слабые старые красные звёзды "размазаны" по диску равномерно. Это видно при фотографировании в разных цветовых диапазонах.

Otpe3ok в сообщении #1329103 писал(а):

В связи с этим вопросы:
1. Если количество звезд несильно отличается в рукавах и темных областях, значит их массы примерно равны ? Т.е. диск в среднем однороден (темные области шире чем рукава, что компенсирует более высокую массу молодых звезд в последних) ?

Это сложный вопрос, поскольку кроме звёзд, массу составляет газ и "тёмная материя". Газ можно изучить по радиоизлучению, а "тёмную материю" - только по кинематике притягиваемых ею объектов.

Если брать в расчёт только звёзды, то да, диск в среднем однороден, и даже просто потому, что яркие звёзды составляют очень малую долю суммарной массы.

Otpe3ok в сообщении #1329103 писал(а):

2. Много ли звезд подобных Солнцу, которые движутся со скоростью волны звездообразования ?

Чем точнее вы будете ограничивать равенство скоростей, тем меньше будет доля таких звёзд, очевидно.

Otpe3ok в сообщении #1329103 писал(а):

Хотелось бы понять по аналогии, с чем можно сравнить спиральную галактику.

Хорошей аналогии вообще нет.

Засов приводил такую аналогию волнам звёздообразования: волна лесного пожара в таком большом лесу, что когда волна приходит на это же место во второй раз, там уже успела вырасти новая поросль.

[Pphantom]

Otpe3ok в сообщении #1329103 писал(а):

Спиральные рукава представляют собой области активного звездообразования и состоят по большей части из молодых горячих звёзд; именно поэтому рукава хорошо выделяются в видимой части спектра.

Вот эта фраза, вообще говоря, неверна, что, по-видимому, приводит к части пробем с пониманием.

Верно утверждение, что молодые горячие звезды в основном сосредоточены в спиральных рукавах. Но вот то, что спиральные рукава из них состоят - неверно. В них, как и в любом другом месте галактики, подавляющее большинство звезд - маломассивные (и сравнительно тусклые) карлики разных возрастов.

Otpe3ok в сообщении #1329103 писал(а):

1. Если это "области" звездообразования, значит они перемещаются, как волны. Т.е. наиболее яркие места(рукава) - это места, где рождаются звезды из пыли и газа, а темные области - это где старые звезды и(или) только газ и пыль.

Да, примерно так. При этом надо иметь в виду, что в данном случае "старые звезды" - это те, которые старше $\sim 10^7$ лет (для характерных времен эволюции большинства звезд, кроме самых массивных, это довольно мало).

Otpe3ok в сообщении #1329103 писал(а):

2. Если так, значит скорость звездообразования (рукавов) не обязана: а) перемещаться в направлении движения самих объектов из которых они рождаются; б)двигаться с той же скоростью, что и сами объекты из которых образуются звезды (новые, яркие) ?

Да, именно так.

Otpe3ok в сообщении #1329103 писал(а):

1. "Большинство" это не оговорка ? Или действительно, в некоторых галактиках, рукава - видимые яркие области светимости (волны звездообразования) распространяются в обратную сторону общему движению масс их порождающих ?

Нет, но имелось в виду нечто другое: в тех случаях, когда соответствующие данные есть, это так. Проблема в том, что для галактик, которые видны плашмя, не определить направление вращения, а для галактик, которые видны с ребра, не видно направление закрутки спиральных рукавов.

Otpe3ok в сообщении #1329103 писал(а):

1. Если количество звезд несильно отличается в рукавах и темных областях, значит их массы примерно равны ? Т.е. диск в среднем однороден (темные области шире чем рукава, что компенсирует более высокую массу молодых звезд в последних) ?

Да, это так.

Otpe3ok в сообщении #1329103 писал(а):

2. Много ли звезд подобных Солнцу, которые движутся со скоростью волны звездообразования ?

"Много" в каком смысле? Если задаться каким-то конкретным максимумом возможной разницы скорости звезды и скорости спирального узора, соответствующую количественную оценку можно будет сделать.

[Otpe3ok]

Munin в сообщении #1329107 писал(а):

Это сложный вопрос, поскольку кроме звёзд, массу составляет газ и "тёмная материя". Газ можно изучить по радиоизлучению, а "тёмную материю" - только по кинематике притягиваемых ею объектов.

Не совсем понял. Если брать в расчет только звезды (не зависимо от яркости, понятно, что яркие тяжелее) и газ, который можно изучить по радиоизлучению, то диск однороден или нет ? Если же привлечь "темную материю", то диск однороден или нет ?

Munin в сообщении #1329107 писал(а):

Хорошей аналогии вообще нет.

Понятно. Но все-таки разные аспекты можно апроксиммировать разными свойствами. Или нет ?

Munin в сообщении #1329107 писал(а):

Засов приводил такую аналогию волнам звёздообразования: волна лесного пожара в таком большом лесу, что когда волна приходит на это же место во второй раз, там уже успела вырасти новая поросль.

А если выросла раньше или позже: рукава добавляются/исчезают ? К месту ли биология, автокатализ (зайцы/лисы) ?

Pphantom в сообщении #1329114 писал(а):

"Много" в каком смысле? Если задаться каким-то конкретным максимумом возможной разницы скорости звезды и скорости спирального узора, соответствующую количественную оценку можно будет сделать.

А как определяют скорость "узора" ? Скорость материальных объектов понятно (смещение линий спектра и т.п.).

Допустим, разница между положением какого-то рукава галактики и Солнца за 3,5 млрд. лет составила не более 600 млн. св. лет. Разница скоростей небольшая, но все-равно Солнце раза 4 пересекло рукав.

[Pphantom]

Otpe3ok в сообщении #1329131 писал(а):

А как определяют скорость "узора" ? Скорость материальных объектов понятно (смещение линий спектра и т.п.).

По возрастам объектов, находящихся в разных областях диска.

[Munin]

Otpe3ok в сообщении #1329131 писал(а):

Если брать в расчет только звезды (не зависимо от яркости, понятно, что яркие тяжелее) и газ, который можно изучить по радиоизлучению, то диск однороден или нет ? Если же привлечь "темную материю", то диск однороден или нет ?

Вы ошибаетесь, когда пишете "понятно, что яркие тяжелее". Да, яркие звёзды массивнее, но их доля в общем населении звёзд очень мала. Так что, как раз именно слабые звёзды составляют основную массу.

Отдельно газ образует рукава. Я не знаю, какую долю массы он составляет, и совпадают ли газовые рукава со звёздными.

Тёмную материю, кажется, с такой подробностью измерить пока просто не получается.

Так что в целом, предлагаю брать за основу слова

Pphantom в сообщении #1329114 писал(а):

Да, это так.

Otpe3ok в сообщении #1329131 писал(а):

Но все-таки разные аспекты можно апроксиммировать разными свойствами. Или нет ?

Ну тогда и уточнять надо, какие аспекты и как вы хотите аппроксимировать.

Otpe3ok в сообщении #1329131 писал(а):

А если выросла раньше или позже

Не понял вопроса.

[Pphantom]

Munin в сообщении #1329208 писал(а):

Отдельно газ образует рукава. Я не знаю, какую долю массы он составляет, и совпадают ли газовые рукава со звёздными.

В смысле плотности газа в целом рукава почти не выделяются. Есть некоторая разница в химсоставе (что, правда, является естественным следствием ионизации межзвездной среды яркими звездами). Ну и в целом масса газа как минимум порядка на полтора меньше массы звезд.

[Munin]

Pphantom в сообщении #1329216 писал(а):

В смысле плотности газа в целом рукава почти не выделяются.

Как я понимаю эту фразу.

Есть газ в целом (в основном водород, точнее, водород-гелиевая смесь 3:1, дальнейшие уточнения не имеют смысла). Его масса может иметь неравномерности плотности, например, плотные облака, или наоборот, раздутые "пузыри". Но эти неоднородности плотности имеют размеры единицы-десятки-сотни парсек. Толщина диска Галактики ~300 пк. Так что эти неоднородности сглаживаются на масштабе диска. Рукава в ширину ещё больше.

Однако газ может находиться в разных состояниях, в зависимости от температуры, плотности и предыстории: ионизированный HII, атомарный HI, молекулярный $\mathrm{H}_2.$ И они могут быть сильно по-разному видны для радионаблюдений. То есть, одна и та же масса водорода может быть сильно неоднородно "расцвечена" в радиодиапазоне, показывая неоднородность каких-то побочных факторов, а не массы. Например, волна звёздообразования в районе рукава Галактики может привести к в среднем большей ионизации, однако масса газа при этом не сдвигается с рукавом, и не меняется существенно от усреднённых процессов рождения и смерти звёзд.

[Pphantom]

Munin, да, в целом так.

[Munin]

Получается, радионаблюдения так просто не показывают распределение газа. Как же понять, что масса газа равномерна?

[Pphantom]

Munin в сообщении #1329266 писал(а):

Получается, радионаблюдения так просто не показывают распределение газа. Как же понять, что масса газа равномерна?

Показывают, просто надо объединять результаты разных наблюдений. 21 см для атомарного водорода, молекулярные линии (в первую очередь CO) для молекулярного газа и тормозное излучение (и поглощение) для ионизованного.

[Munin]

А для объединения надо их калибровать. В общем, непросто и в чём-то модельно-зависимо.

[Pphantom]

Munin в сообщении #1329268 писал(а):

А для объединения надо их калибровать. В общем, непросто и в чём-то модельно-зависимо.

Ну естественно. Модельно-независимые результаты вообще штука довольно редкая (и ценная).