Question

Почему галактики имеют форму спирали?

Не все, но многие:

Answer 1

Материя в галактиках движется не сама по себе, а увлекается силами гравитации. В сердце каждой такой галактики находится сверх массивная черная дыра, которая и является центром масс этой системы. Вокруг нее и движутся все планеты и прочая материя. Можете представить себе как модель черной дыры пробку в ванной, в которую утекает вода. На воду действует центростремительное ускорение. ее поглощает отверстие в трубе, которое в данной модели играет роль черной дыры. По сути скорость движения масс воды одинаковая, однако по мере приближения в центру, вода проходит все меньший и меньший путь вокруг слива, и таким образом угловая скорость у отдельно взятой массы воды увеличивается. Примерно тоже можно наблюдать и в галактике. Гравитация черной дыры заставляет захватывает материю и удерживает ее на своей орбите. Образуется спираль. По мере приближения к черной дыре угловые скорости планет на этой орбите возрастают.

Есть другая теория, которая учитывает факт так называемой "темной энергии". Исследования показали, что одной гравитации черной дыры для такого явления как спиральная галактика недостаточно. Во вселенной существуют силы превосходящие ее. Это так называемая темная энергия. Человек пока не смог зафиксировать это явление и обратить его себе на пользу, но оно было открыто косвенным путем. Его гравитация влияет на движение не только звезд в галактиках, но и самих галактик. это довольно значительная сила, и занимает во вселенной до 70% всей энергии. Есть теория, что эта энергия наполняя пространство сама имеет течения подобные воде в море, и увлекает за собой видимую нами материю. Черные дыры лишь сами находятся в зоне максимальной гравитации, поскольку из всех объектов, у них она наиболее большая. Это напоминает шарик в лунке. Таким образом, движение звезд и планет в спиральной галактике на модели напоминает движение воды в сливе ванной. Вода прозрачна. В этой модели она играет роль невидимой нам темной энергии. Если в воду добавить чернила, или краску, мы увидим воронку, напоминающую по форме галактику. Чернила в нашей модели изображают видимую нам материю.

Answer 2

На самом деле вопросы о структуре галактик до сих пор являются предметом порой даже весьма бурных дискуссий среди ученых. Во-первых, не все галактики являются спиральными. Есть также эллиптические и неправильные галактики. Но на этом особо останавливаться не будем. Если интересно, почитайте астронет, замечательный ресурс, куда статьи пишут профессиональные астрономы.

Что же касается возникновения спирального узора, то за этим стоят довольно сложная математика и физика. Начало понимания вопроса положили Лин и Шу ещё в 1964 году. Если читаете по-английски и что-то понимаете в физике, то можно нагуглить их статью "On the Spiral Structure of Disk Galaxies." Lin and Shu, Astrophysical Journal, vol. 140, p.646, 1964.

Если совсем просто объяснять, то Лин и Шу предположили, а вернее, посчитали, что в дисковых галактиках могут при определенных условиях образовываться так называемые волны плотности, грубо говоря "сгущения", которые как раз и будут иметь форму спирали. Образовываются они не из-за "центральной черной дыры", как было сказано в предыдущем ответе, а из-за того, что газ, звезды и пыль сами гравитируют, то есть способны создавать притяжение. В эллиптических галактиках, например, в которых вообще нет никакой спиральносй структуры, в центре тоже предполагается наличие сверхмассивных черных дыр. В идеальном газовом негравитирующем диске, который находится в строго сферическом внешнем гравитационном потенциале (есть центральная симметрия), не должно возникать никаких волн. А вот в самогравитирующем диске галактики, при определенных условиях достаточно слегка возмутить плотность и в нём начнет развиваться неустойчивость, которая, как показали расчеты Лина и Шу как раз и будет иметь форму спирали.

А видим мы их такими красивыми и яркими, эти рукава, из-за того, что спирали являются местом повышенного звездообразования. Объясняется это тем, что попадающие в места "сгущения" (в волну плотности) облака межзвездного газа (гигантские и тоже самогравитирующие) вероятнее всего из-за Джинсовской неустойчивости (погуглите) начнут коллапсировать и в конце концов сжиматься в звезды. Поэтому в рукавах (а вернее чуть позади их) и есть повышенная плотность звезд, что дает повышенную яркость. Если кратко и просто, то примерно вот так на сегодняшний день астрономы понимают образование спирального узора. За доп. информацией рекомендую обращаться к ресурсу астронет.