Почему галактики вращаются?

Ответ на вопрос, почему галактики вращаются, начинается не в космосе, а с предмета, который легко представить: с офисного кресла.

Количество вращения у объекта называют моментом импульса. Он зависит от массы и от того, как эта масса распределена вокруг центра масс — точки, в которой предмет можно уравновесить. Если раскрутиться на кресле с разведёнными ногами, а затем прижать их к себе, вращение ускорится: форма изменилась, масса приблизилась к центру, и скорость выросла. Это закон сохранения момента импульса. Когда кресло останавливается, его вращающиеся части трутся друг о друга и нагреваются — движение переходит в тепло. Тот же закон действует для фигуристов, которые ускоряют вращение, прижимая руки, и для галактик.

Галактики состоят из обычного вещества — звёзд, планет, газа и пыли — и из тёмной материи, о которой известно меньше, но которую изучают по её гравитационному притяжению. Оба вида материи обладают массой и притягивают друг друга. Когда Вселенная только формировалась, тёмная материя помогала стягивать облака газа и пыли в галактики.

Представим два облака, летящие навстречу друг другу. Идеально лобовое столкновение маловероятно: чаще облака сближаются со смещением. У них есть общий центр масс, и в зависимости от относительной скорости, направления и массы гравитация может заставить их закрутиться друг вокруг друга и слиться. Начальное спиральное движение сохраняется в итоговом вращении объединённого облака — снова закон сохранения момента импульса.

Когда облака закручиваются, вещество внутри сталкивается. Столкновение сжимает облака, меняет их общее движение и разогревает до свечения. Проходя друг сквозь друга, облака замедляются и расходятся, но уже не могут преодолеть взаимное притяжение. Они продолжают спиральный танец, пока не сольются в более крупное вращающееся облако. Процесс повторяется для всё больших облаков. В зависимости от угла, скорости и массы при встрече столкновения могут ускорить, замедлить или развернуть вращение. В какой-то момент облако становится настолько большим, что новые столкновения с меньшими облаками уже мало влияют на общее вращение.

Газ и пыль также падают в облака напрямую — вместе с потоками вещества, которые называют космическими нитями. Облака и нити вместе образуют вращающуюся галактику. Она продолжит вращаться, если не случится что-то, например слияние с другой галактикой.

Галактики делят на три основных типа, и вращение внутри них организовано по-разному. Неправильные галактики — это сгустки газа, пыли и звёзд с общим направлением вращения, хотя часть объектов его не придерживается. Спиральные устроены аккуратнее: плоский диск со спиральными рукавами и центральное утолщение. Большая часть вещества в диске вращается в одном направлении, а в центре картина сложнее. Спиральные рукава похожи на пробки: там больше звёзд, газа и пыли, и веществу требуется больше времени, чтобы покинуть рукав и выйти в пространство между ними. Эллиптические галактики богаты звёздами, но бедны газом и пылью, и многие из них — результат слияний. Звёзды там обращаются вокруг центра, но организованное вращение может быть, а может и отсутствовать — в зависимости от истории формирования и слияний.

Все галактики вращаются, но не одинаково. И здесь остаётся вопрос, на который пока нет полного ответа: если закон сохранения момента импульса объясняет вращение отдельной галактики, то как это вращение складывается в движение целых скоплений галактик — и что задало первоначальное закручивание вещества в масштабах, где сам закон уже не подсказывает направление?