Astronomii au reușit să facă progrese extraordinare în cartografierea structurii spirale a Căii Lactee după descoperirea liniei de 21 cm care provine de la hidrogenul rece (vezi Between the Stars: Gas and Dust in Space). Amintiți-vă că efectul de obscuritate al prafului interstelar ne împiedică să vedem stelele aflate la distanțe mari în disc la lungimi de undă vizibile. Cu toate acestea, undele radio cu lungimea de undă de 21 cm trec direct prin praf, permițând astronomilor să detecteze atomii de hidrogen din întreaga galaxie. Sondaje mai recente ale emisiilor în infraroșu ale stelelor din disc au oferit o perspectivă similară, fără praf, asupra distribuției stelare a galaxiei noastre. În ciuda tuturor acestor progrese din ultimii cincizeci de ani, abia acum începem să stabilim cu exactitate structura galaxiei noastre.

Brațele Căii Lactee

Observațiile noastre radio ale componentei gazoase a discului indică faptul că galaxia are două brațe spirale majore care ies din bară și mai multe brațe mai slabe și pinteni mai scurți. Puteți vedea o hartă recent asamblată a structurii brațelor galaxiei noastre – derivată din studii în infraroșu – în figura 1.

Soarele se află aproape de marginea interioară a unui braț scurt numit Spur Orion, care are o lungime de aproximativ 10.000 de ani-lumină și care conține caracteristici vizibile precum Riftul Cygnus (marea nebuloasă întunecată din Calea Lactee de vară) și strălucitoarea Nebuloasă Orion. Figura 2 prezintă alte câteva obiecte care împart cu noi această mică secțiune a galaxiei și care sunt ușor de observat. Țineți minte, cu cât încercăm să privim mai departe de brațul nostru, cu atât mai mult se acumulează praful din Galaxie și face ca aceasta să fie greu de văzut cu lumină vizibilă.

Formarea structurii spirale

La distanța Soarelui față de centrul său, Galaxia nu se rotește ca o roată solidă sau ca un CD în interiorul playerului dumneavoastră. În schimb, modul în care obiectele individuale se rotesc în jurul centrului galaxiei seamănă mai mult cu sistemul solar. Stelele, precum și norii de gaz și praf, se supun celei de-a treia legi a lui Kepler. Obiectelor mai îndepărtate de centru le ia mai mult timp pentru a completa o orbită în jurul galaxiei decât celor mai apropiate de centru. Cu alte cuvinte, stelele (și materia interstelară) aflate pe orbite mai mari în galaxie rămân în urma celor aflate pe orbite mai mici. Acest efect se numește rotație galactică diferențială.

Rotația diferențială ar părea să explice de ce atât de multă materie din discul Căii Lactee este concentrată în trăsături alungite care seamănă cu brațele spiralate. Indiferent care ar putea fi distribuția inițială a materialului, rotația diferențială a galaxiei îl poate întinde în trăsături spiralate. Figura 3 arată dezvoltarea brațelor spirale din două pete neregulate de materie interstelară. Observați că, pe măsură ce porțiunile de pete cele mai apropiate de centrul galactic se mișcă mai repede, cele mai îndepărtate rămân în urmă.

Dar această imagine a brațelor spiralate le prezintă astronomilor o problemă imediată. Dacă asta este tot ce a fost în poveste, rotația diferențială – de-a lungul istoriei de aproximativ 13 miliarde de ani a galaxiei – ar fi înfășurat brațele galaxiei din ce în ce mai strâns până când orice aparență de structură spirală ar fi dispărut. Dar avea oare Calea Lactee brațe spiralate atunci când s-a format acum 13 miliarde de ani? Și brațele spiralate, odată formate, durează atât de mult timp?

Cu apariția telescopului spațial Hubble, a devenit posibil să se observe structura galaxiilor foarte îndepărtate și să se vadă cum arătau acestea la scurt timp după ce au început să se formeze acum mai mult de 13 miliarde de ani. Ceea ce arată observațiile este că galaxiile la începuturile lor aveau regiuni luminoase și aglomerate de formare a stelelor, dar nu aveau o structură spirală regulată.

De-a lungul următoarelor câteva miliarde de ani, galaxiile au început să se „așeze”. Galaxiile care urmau să devină spirale și-au pierdut aglomerările masive și au dezvoltat un bulgăre central. Turbulențele din aceste galaxii au scăzut, rotația a început să domine mișcările stelelor și ale gazului, iar stelele au început să se formeze într-un disc mult mai liniștit. Grupurile mai mici care formează stele au început să formeze brațe spirale neclare, nu foarte distincte. Brațele spirale luminoase și bine definite au început să apară abia când galaxiile aveau aproximativ 3,6 miliarde de ani. Inițial, au existat două brațe bine definite. Structurile cu mai multe brațe în galaxii, precum cele pe care le vedem în Calea Lactee, au apărut abia când universul avea o vârstă de aproximativ 8 miliarde de ani.

Vom discuta istoria galaxiilor mai în detaliu în Evoluția și distribuția galaxiilor. Dar, chiar și din scurta noastră discuție, puteți avea senzația că structurile spiralate pe care le observăm acum în galaxiile mature au apărut mai târziu în povestea completă a modului în care se dezvoltă lucrurile în univers.

Cercetătorii au folosit calcule cu supercomputere pentru a modela formarea și evoluția brațelor. Aceste calcule urmăresc mișcările a până la 100 de milioane de „particule stelare” pentru a vedea dacă forțele gravitaționale le pot determina să formeze o structură spiralată. Ceea ce arată aceste calcule este că norii moleculari giganți (despre care am discutat în cartea Between the Stars: Gas and Dust in Space) au suficientă influență gravitațională asupra mediului înconjurător pentru a iniția formarea unor structuri care arată ca niște brațe spiralate. Aceste brațe devin apoi autoperpetuante și pot supraviețui timp de cel puțin câteva miliarde de ani. Brațele își pot schimba luminozitatea în timp, pe măsură ce formarea stelelor apare și dispare, dar nu sunt caracteristici temporare. Concentrația de materie din brațe exercită o forță gravitațională suficientă pentru a menține brațele împreună pe perioade lungi de timp.

Glosar

Rotație galactică diferențială:

ideea că diferite părți ale galaxiei se rotesc cu viteze diferite, deoarece părțile galaxiei urmează a treia lege a lui Kepler: obiectelor mai îndepărtate le ia mai mult timp să parcurgă o orbită completă în jurul centrului galaxiei

braț spiralat:

o regiune în formă de spirală, caracterizată prin material interstelar relativ dens și stele tinere, care se observă în discurile galaxiilor spiralate

.