Кратко: для разграничения классической теории спиральных волн плотности (долговременные, глобальные волны, часто возбуждаемые приливами) и моделей спонтанного / самоподдерживающегося (self–propagating) звездообразования (локальные, транзиентные, обусловленные турбулентией и локальным усилением газа) нужно предъявить конкретные наблюдательные критерии. На примере М51 и М33 эти критерии дают разные ответы: М51 — почти однозначно поддерживает картину волны/приливной индуцированной спирали; М33 — ближе к спонтанной / транзиентной (флоккулентной) структуре. Ниже — какие именно наблюдения и как их интерпретировать.
1) Скорость волны (pattern speed) и её радиальная зависимость
- Теория волн: существует глобальная почти постоянная угловая скорость ${\Omega }_p$ (в пределах радиуса волн) с чёткими резонансами (коротация, ОЛР, ИЛР).
- Спонтанные/транзиентные модели: нет одного постоянного ${\Omega }_p$; паттерн либо нестационарен, либо ${\Omega }_p(R)\approx \Omega (R)$ (локально следуют потоку).
- Наблюдательно: измеряют методом Tremaine–Weinberg или по смещениям газ–звёзды (см. №2) и по потокам скорости. Если найдено почти постоянное ${\Omega }_p$ — в пользу волны; если ${\Omega }_p$ сильно зависит от $R$ или неустойчиво — в пользу спонтанной модели.
- Пример: для М51 оценки дают стабильную ${\Omega }_p$ порядка $\sim 20-40\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{kp}{\mathrm{c}}^{-1}$ с коротацией на нескольких кпк (поддержка волновой/приливной модели). Для М33 устойчивой единой ${\Omega }_p$ не выявляют.
2) Возрастные градиенты звёздных цепочек через рукав (offsets CO → IR → Hα → UV)
- Волновая теория предсказывает систематический возрастной сдвиг: газ шокируется/собирается в рукаве → затем звёздообразование; это даёт последовательные смещения компонентов по направлению вращения. Формально угол смещения $\Delta \varphi$ связан с временем появления звёзд $\Delta t$ и вращениями:
$$\Delta \varphi (R)=(\Omega (R)-{\Omega }_p)\Delta t.$$ Линейный сдвиг вдоль орбиты: $\Delta s=R\Delta \varphi$.
- В спонтанной модели таких систематических сдвигов не будет: H II и CO/молекулярный газ будут совпадать локально, возраст распределён беспорядочно.
- Наблюдение: в М51 видны четкие упорядоченные смещения (молекулярный газ, пылевой гребень, затем Hα/UV), что согласуется с волновой картиной. В М33 таких регулярных градиентов либо нет, либо они очень слабы/локальны.
3) Распределение и динамика газа / потоков (streaming motions)
- Волновая теория: при прохождении через волну возникают большие нелинейные потоковые возмущения (streaming) — радиальные и азимутальные скоростные компоненты десятки км/с, асимметричные по отношению к рукаву; проявляются ударные перед рукавом (внутри коротации).
- Спонтанная модель: потоковые возмущения слабее и локальны, отсутствует глобальная согласованная квазишоковая картина.
- Наблюдение: в М51 измеряют сильные стриминговые скорости в CO/HI (согласие с шоком плотности); в М33 амплитуды потоков малы, структура газовых скоростей более турбулентна и локальна.
4) Магнитное поле и поляризованное излучение
- Волновая теория: поле упорядочивается и сжимается в шоковой зоне, наблюдается усиление вдоль гребня рукава, иногда поляризованная эмиссия смещена относительно Hα (поле «упstream» от звёздообразования). Ожидается согласованное увеличение регулярного поля и изменение угла между полем и рукавом.
- Спонтанная модель: магнитное поле более разрежено/неупорядочено, поляризованная эмиссия коррелирует с локальной плотностью газа и SF, нет большого масштаба согласованности.
- Наблюдение: в М51 наблюдается сильная поляризация и тонкие каналы упорядоченного поля, что указывает на компрессию/сдвиг поля в волне; в М33 поле слабее и менее упорядочено, со следованием локальным структурам газа.
5) Морфология, симметрия и длительность
- Волновая модель даёт крупномасштабную, симметричную (grand–design) двух- или многорукавую структуру, часто связана с внешним возмущением (спутник/прилив). Ожидаема долговечность ~1 Gyr или больше для вынужденных волн.
- Спонтанная модель даёт флоку­лентную, крупноразорванную структуру из коротких сегментов, быстро эволюционирующую (сроки ~100 Myr).
- М51 — классический grand–design, взаимодействие с NGC 5195; М33 — флоккулентная, многорукавная, без явного сильного спутника.
Резюмирующие наблюдательные критерии, которые позволят предпочесть одну модель другой
- Наличие постоянного ${\Omega }_p$ с резонансами → волновая теория; отсутствие — спонтанная. (измерять Tremaine–Weinberg, фазовые смещения)
- Систематический возрастной градиент через рукав (CO → IR → Hα → UV), удовлетворяющий $\Delta \varphi =(\Omega -{\Omega }_p)\Delta t$ → волна; отсутствие — спонтанная.
- Сильные согласованные стриминговые скорости (десятки $\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}$) по всему рукаву → волна; слабые/локальные возмущения → спонтанная.
- Упорядоченное, укреплённое магнитное поле и смещения поляризованной эмиссии относительно зон SF → волна; разреженное/локальное поле → спонтанная.
- Морфология: grand–design + наличие приливного спутника → волна; флоккулентная, многосегментная — спонтанная.
Практическая стратегия для конкретной галактики
- Измерить ${\Omega }_p$ (Tremaine–Weinberg, фазовые смещения), картировать CO/H I/Hα/IR/UV с высоким разрешением, получить возраст звёздных скоплений поперёк рукава (HST спектрофотометрия), картировать поле (радиополяриметрия) и детальные поля скоростей (координатные картографии CO/HI).
- Сопоставить смещения и скорости с предсказаниями модели по уравнению для $\Delta \varphi$ и по амплитуде стримингов.
Вывод по примерам
- М51: наблюдаемая упорядоченность смещений, сильные стриминги, упорядоченное магнитное поле и tidal context дают преимущество для волновой/приливной модели.
- М33: слабые смещения, отсутствие единой ${\Omega }_p$, флоккулентность и локальная корреляция газа и SF — в пользу спонтанного / транзиентного механизма (самоподдерживающееся звездообразование + swing amplification).