Astronomové mohli dosáhnout obrovského pokroku při mapování spirální struktury Mléčné dráhy po objevu čáry 21 cm, která pochází z chladného vodíku (viz Mezi hvězdami: Plyn a prach ve vesmíru). Připomeňme, že zakrývací efekt mezihvězdného prachu nám brání vidět hvězdy ve velkých vzdálenostech disku na viditelných vlnových délkách. Rádiové vlny o vlnové délce 21 cm však procházejí přímo skrz prach, což astronomům umožňuje detekovat atomy vodíku v celé Galaxii. Novější průzkumy infračerveného záření hvězd v disku poskytly podobný pohled na rozložení hvězd v naší Galaxii bez prachu. Přes veškerý tento pokrok za posledních padesát let stále teprve začínáme přesněji určovat strukturu naší Galaxie.

Ruhy Mléčné dráhy

Naše rádiová pozorování plynné složky disku ukazují, že Galaxie má dvě hlavní spirální ramena, která vycházejí z tyče, a několik slabších ramen a kratších výběžků. Nedávno sestavenou mapu struktury ramen naší Galaxie – odvozenou ze studií v infračervené oblasti – si můžete prohlédnout na obrázku 1.

Slunce se nachází poblíž vnitřního okraje krátkého ramene zvaného Orionova výduť, které je dlouhé asi 10 000 světelných let a obsahuje takové nápadné útvary, jako je Cygnusova trhlina (velká tmavá mlhovina v letní Mléčné dráze) a jasná mlhovina v Orionu. Obrázek 2 ukazuje několik dalších objektů, které s námi sdílejí tuto malou část Galaxie a jsou snadno pozorovatelné. Nezapomeňte, že čím dále od našeho ramene se snažíme dívat, tím více se v Galaxii hromadí prach, který ztěžuje viditelnou viditelnost.

Formování spirální struktury

Ve vzdálenosti Slunce od jeho středu se Galaxie neotáčí jako pevné kolo nebo CD v přehrávači. Místo toho se způsob otáčení jednotlivých objektů kolem středu Galaxie podobá spíše sluneční soustavě. Hvězdy, stejně jako oblaka plynu a prachu, se řídí třetím Keplerovým zákonem. Objektům vzdálenějším od středu trvá dokončení oběhu kolem Galaxie déle než těm, které jsou blíže středu. Jinými slovy, hvězdy (a mezihvězdná hmota) na větších oběžných drahách v Galaxii zaostávají za hvězdami na menších drahách. Tento jev se nazývá diferenciální galaktická rotace.

Diferenciální rotace zřejmě vysvětluje, proč je tolik materiálu v disku Mléčné dráhy soustředěno do protáhlých útvarů, které připomínají spirální ramena. Bez ohledu na to, jaké bylo původní rozložení materiálu, může jej diferenciální rotace Galaxie roztáhnout do spirálních útvarů. Obrázek 3 ukazuje vývoj spirálních ramen ze dvou nepravidelných skvrn mezihvězdné hmoty. Všimněte si, že jak se části skvrn nejblíže galaktickému centru pohybují rychleji, ty vzdálenější za nimi zaostávají.

Tento obraz spirálních ramen však astronomy staví před okamžitý problém. Pokud by šlo jen o toto, pak by diferenciální rotace – během zhruba 13 miliard let historie Galaxie – navíjela ramena Galaxie stále těsněji, až by veškeré zdání spirální struktury zmizelo. Měla však Mléčná dráha v době svého vzniku před 13 miliardami let skutečně spirální ramena? A vydrží jednou zformovaná spirální ramena tak dlouho?“

S příchodem Hubbleova vesmírného dalekohledu bylo možné pozorovat strukturu velmi vzdálených galaxií a zjistit, jak vypadaly krátce poté, co se před více než 13 miliardami let začaly formovat. Pozorování ukázala, že galaxie ve svých počátcích měly jasné, shlukovité oblasti s tvorbou hvězd, ale neměly pravidelnou spirální strukturu.

V průběhu několika dalších miliard let se galaxie začaly „usazovat“. Galaxie, které se měly stát spirálami, ztratily své mohutné kupy a vytvořily centrální výduť. Turbulence v těchto galaxiích se snížila, v pohybech hvězd a plynu začala převládat rotace a hvězdy se začaly tvořit v mnohem klidnějším disku. Menší hvězdotvorné chuchvalce začaly vytvářet rozmazaná, nepříliš zřetelná spirální ramena. Jasná, dobře ohraničená spirální ramena se začala objevovat až v době, kdy byly galaxie staré asi 3,6 miliardy let. Zpočátku existovala dvě dobře ohraničená ramena. Víceramenné struktury galaxií, jaké vidíme v Mléčné dráze, se objevily, až když byl vesmír starý asi 8 miliard let.

Podrobněji se historii galaxií věnujeme v knize Vývoj a rozložení galaxií. Ale i z našeho stručného pojednání můžete získat pocit, že spirální struktury, které nyní pozorujeme ve zralých galaxiích, přišly v celém příběhu vývoje vesmíru později.

Vědci použili k modelování vzniku a vývoje ramen superpočítačové výpočty. Tyto výpočty sledují pohyby až 100 milionů „hvězdných částic“, aby zjistili, zda je gravitační síly mohou přimět k vytvoření spirální struktury. Tyto výpočty ukazují, že obří molekulární mračna (o nichž jsme hovořili v knize Mezi hvězdami: plyn a prach ve vesmíru) mají dostatečný gravitační vliv na své okolí, aby iniciovala vznik struktur, které vypadají jako spirální ramena. Tato ramena se pak stávají samonosnými a mohou přežívat nejméně několik miliard let. Ramena mohou v průběhu času měnit svou jasnost podle toho, jak hvězdy vznikají a zanikají, ale nejedná se o dočasné útvary. Koncentrace hmoty v ramenech působí dostatečnou gravitační silou, která udržuje ramena pohromadě po dlouhou dobu.

Glosář

diferenciální galaktická rotace:

myšlenka, že různé části Galaxie se otáčejí různou rychlostí, protože části Galaxie se řídí třetím Keplerovým zákonem: vzdálenějším objektům trvá déle, než dokončí jeden úplný oběh kolem středu Galaxie

spirální rameno:

oblast ve tvaru spirály, která se vyznačuje relativně hustým mezihvězdným materiálem a mladými hvězdami a kterou lze pozorovat v discích spirálních galaxií

.