A csillagászok óriási előrelépést tudtak tenni a Tejútrendszer spirális szerkezetének feltérképezésében, miután felfedezték a hideg hidrogénből származó 21 cm-es vonalat (lásd: A csillagok között: Gáz és por az űrben). Ne feledjük, hogy a csillagközi por elhomályosító hatása miatt a látható hullámhosszakon nem látjuk a korongban nagy távolságban lévő csillagokat. A 21 cm-es hullámhosszúságú rádióhullámok azonban áthatolnak a poron, így a csillagászok a galaxis egész területén észlelhetik a hidrogénatomokat. A korongban lévő csillagok infravörös sugárzásának újabb felmérései hasonló pormentes képet adtak galaxisunk csillageloszlásáról. Mindezen, az elmúlt ötven év alatt elért haladás ellenére még mindig csak most kezdjük pontosan meghatározni Galaxisunk szerkezetét.

A Tejútrendszer karjai

A korong gáznemű komponensének rádiómegfigyeléseink azt mutatják, hogy a Galaxisnak két nagy spirálkarja van, amelyek a sávból indulnak ki, valamint számos halványabb kar és rövidebb kitüremkedés. Galaxisunk karszerkezetének nemrég összeállított – infravörösben végzett vizsgálatokból származó – térképét az 1. ábrán láthatjuk.

A Nap az Orion-sarknak nevezett rövid kar belső peremének közelében van, amely mintegy 10 000 fényév hosszú, és olyan feltűnő vonásokat tartalmaz, mint a Cygnus-hasadék (a nagy sötét köd a nyári Tejútrendszerben) és a fényes Orion-köd. A 2. ábra néhány más objektumot mutat, amelyek a galaxisnak ezen a kis szakaszán osztoznak velünk, és könnyen észrevehetők. Ne feledjük, minél messzebbre próbálunk nézni a saját karunktól, annál jobban felhalmozódik a galaxisban a por, ami megnehezíti a látható fényben való észlelést.

A spirális szerkezet kialakulása

A Nap középpontjától való távolságban a Galaxis nem úgy forog, mint egy tömör kerék vagy egy CD a lejátszóban. Ehelyett az, ahogyan az egyes objektumok a Galaxis középpontja körül forognak, inkább a Naprendszerhez hasonlít. A csillagok, valamint a gáz- és porfelhők Kepler harmadik törvényének engedelmeskednek. A középponttól távolabbi objektumoknak tovább tart a galaxis körüli keringés, mint a középponthoz közelebbieknek. Más szóval, a galaxisban a nagyobb pályán keringő csillagok (és a csillagközi anyag) lemaradnak a kisebb pályán keringők mögött. Ezt a hatást nevezzük differenciális galaktikus forgásnak.

A differenciális forgás látszólag megmagyarázza, hogy a Tejútrendszer korongjában az anyag nagy része miért koncentrálódik olyan hosszúkás, spirálkarokra emlékeztető vonásokba. Bármilyen is legyen az anyag eredeti eloszlása, a galaxis differenciális forgása képes azt spirális alakzatokká nyújtani. A 3. ábra a spirálkarok kialakulását mutatja a csillagközi anyag két szabálytalan csomójából. Vegyük észre, hogy ahogy a csomóknak a galaktikus középponthoz legközelebb eső részei gyorsabban mozognak, a távolabbiak lemaradnak.

A spirálkarok e képe azonban egy azonnali problémát vet fel a csillagászok számára. Ha csak ennyi lenne a történet, akkor a differenciális forgás – a galaxis nagyjából 13 milliárd éves története során – egyre szorosabbra és szorosabbra tekerte volna a galaxis karjait, amíg a spirális szerkezet minden látszata el nem tűnt. De vajon a Tejútrendszer valóban rendelkezett spirálkarokkal, amikor 13 milliárd évvel ezelőtt kialakult? És a spirálkarok, ha egyszer kialakultak, ilyen hosszú ideig fennmaradnak?

A Hubble űrteleszkóp megjelenésével lehetővé vált, hogy megfigyeljük a nagyon távoli galaxisok szerkezetét, és megnézzük, milyenek voltak röviddel azután, hogy több mint 13 milliárd évvel ezelőtt elkezdtek kialakulni. A megfigyelések azt mutatják, hogy a galaxisok gyermekkorukban fényes, csomós csillagkeletkezési régiókkal rendelkeztek, de nem volt szabályos spirális szerkezetük.

A következő néhány milliárd év során a galaxisok elkezdtek “lenyugodni”. A spirálokká váló galaxisok elvesztették masszív csomóikat, és központi dudort alakítottak ki. Ezekben a galaxisokban csökkent a turbulencia, a csillagok és a gáz mozgását a forgás kezdte uralni, és a csillagok egy sokkal csendesebb korongban kezdtek kialakulni. A kisebb csillagkeletkezési csomók homályos, nem túl jól kivehető spirálkarokat kezdtek kialakítani. Fényes, jól elkülönülő spirálkarok csak akkor kezdtek megjelenni, amikor a galaxisok körülbelül 3,6 milliárd évesek voltak. Kezdetben két jól körülhatárolt kar volt. A galaxisok többkarú szerkezetei, mint amilyeneket a Tejútrendszerben látunk, csak akkor jelentek meg, amikor a világegyetem körülbelül 8 milliárd éves volt.

A galaxisok történetét részletesebben A galaxisok fejlődése és elterjedése című fejezetben tárgyaljuk. De még rövid értekezésünkből is az az érzésünk támadhat, hogy a spirális struktúrák, amelyeket most az érett galaxisokban megfigyelünk, később jöttek létre a világegyetem fejlődésének teljes történetében.

A tudósok szuperszámítógépes számítások segítségével modellezték a karok kialakulását és fejlődését. Ezek a számítások akár 100 millió “csillagrészecske” mozgását követik nyomon, hogy kiderítsék, vajon a gravitációs erők hatására kialakulhat-e spirális szerkezetük. Ezek a számítások azt mutatják, hogy az óriási molekulafelhők (amelyeket a Csillagok között: Gáz és por az űrben című könyvben tárgyaltunk) elegendő gravitációs befolyással rendelkeznek a környezetükre ahhoz, hogy spirálkaroknak látszó struktúrák kialakulását kezdeményezzék. Ezek a karok aztán önfenntartóvá válnak, és legalább több milliárd évig fennmaradhatnak. A karok fényessége idővel változhat, ahogy a csillagkeletkezés jön és megy, de ezek nem átmeneti jellegzetességek. Az anyag koncentrációja a karokban elegendő gravitációs erőt fejt ki ahhoz, hogy a karok hosszú időn keresztül együtt maradjanak.

Glosszárium

differenciális galaktikus forgás:

az az elképzelés, hogy a galaxis különböző részei különböző sebességgel forognak, mivel a galaxis egyes részei Kepler harmadik törvényét követik: a távolabbi objektumok hosszabb idő alatt tesznek meg egy teljes pályát a galaxis középpontja körül

spirálkar:

spirál alakú régió, amelyet viszonylag sűrű csillagközi anyag és fiatal csillagok jellemeznek, és amely a spirálgalaxisok korongjaiban figyelhető meg

.