کهکشان های مارپیچی و نامنظم

شیب های خاصیت فلزی و رنگ مارپیچی

کهکشان های مارپیچی منفرد شیب های رنگ دارند، با برآمدگی هایی که بطور کلی قرمز تر از قرص های آنها می باشند. این امر ناشی از دو دلیل است: 1-شیب های خاصیت فلزی 2- فعالیت شکل گیری ستاره. تعداد متوسط الکترون ها در هر اتم برای ستارگان غنی از فلز، بیشتر از تعداد آن برای ستارگان با فراوانی فلزی پایین می باشد. از آنجا که یونیدگی و گذارهای مداری الکترونها به کدری شید سپهر های ستاره ای کمک می کند،کدری در ستارگان غنی از فلز بیشتر است. به دلیل اینکه برای نوری که در داخل تولید شده فرار از ستاره با شیدسپهری با کدری بالاتر دشوارتر است. ستاره تمایل به "پف کردن" خواهد داشت؛ شعاع آن افزایش خواهد یافت؛ با کاهش متناظر دمای موثر. از این رو یک ستاره با کدری بالاتر ،قرمز تر از یک ستاره با کدری پایینتر خواهد بود. بقیه چیزها یکسان است. قرمزی برآمدگی ها را نشان میدهد که آن نواحی از بخش هایی از قرص که دورتر از مرکز هستند فراوانی فلزی بالاتری دارند ، مانند کهکشان راه شیری.
شکل گیری ستارگان، دومین علت اصلی شیب های رنگ، دلالت بر این دارد که قرص های کهکشان های مارپیچی از برآمدگی های آنها در ساختن ستاره فعالتر هستند.این امر با توزیع گاز و گرد و غبار در کهکشان ها سازگار می باشد. مؤلفه های کره وار مارپیچی ها معمولاً شامل گاز بسیار کمتری می باشند و به طور متناظر نسبت به قرص های خود،آهنگ شکل گیری ستاره ای پایینتری دارند.از آنجا که قرص ها قادر به تولید ستارگان داغ، آبی و جوان با آهنگ بیشتری هستند به نظر میرسد کره وار ها بطور نسبی قرمزترند و یک شیب رنگ به وجود می آید.

ساختار مارپیچی

کهکشان ها تنوع ارزشمندی از ساختار مارپیچی را به نمایش می گذارند که ممکن است در تعداد بازو ها ، چگونگی بسته شدن به یکدیگر، درجه یکنواختی توزیع ستارگان و گاز، روشنایی سطحی و وجود یا عدم وجود میله با یکدیگر فرق داشته باشند. با شکوه ترین کهکشان های مارپیچی به عنوان مارپیچی های با طراحی بزرگ شناخته میشوند و معمولاً دو بازوی واضح و بسیار متقارن دارند. یکی از بهترین نمونه های شناخته شده از مارپیچی های با طراحی بزرگ M51 می باشد. با این حال تمام مارپیچی ها با طراحی های بزرگ و دو بازوی مجزا نیستند. برای مثال M101 چهار بازو دارد. مارپیچی NGC2841 مجموعه ای از قطعات بازویی جزئی دارد. کهکشان هایی مانند NGC2841، که دارای بازوهای مارپیچی واضحی نیستند مارپیچی های کرکی نامیده می شوند.تنها حدود 10% مارپیچی ها، کهکشانهای طراحی بزرگ در نظر گرفته میشوند.60% دیگر آنها، کهکشانهای با بازوی چند گانه هستند. 30% باقی مانده کهکشان های کرکی می باشند.
در تصاویر نوری کهکشان های مارپیچی، بازوهای آنها غالب می باشند و بدین دلیل است که ستارگان رشته اصلی O , B بسیار تابان و نواحی H II ترجیحاً در بازو ها دیده میشنود. بررسی دقیق تصاویر مختلف کهکشان ها نشان میدهد که نوار های گرد و غباری در بازوهای مارپیچی نیز مشهود می باشند.کهکشان M51 یک مثال خوب است. نوار های گرد و غباری تمایل دارند بر روی لبه های درونی بازوها قرار گیرند. همچنین ابرهای گازی در نزدیکی لبه های درونی بازوها شایع تر است.

کهکشان گرداب ،M51 ؛ یک مارپیچی با طراحی بزرگ واقع در صورت فلکی تازی ها. همچنین همدم آن  NGC5195  نیز قابل رویت می باشد.

کهکشان چرخ دنده ، M101  ؛ یک کهکشان مارپیچی با چهار بازوی کهکشانی

کهکشان NGC2841 نمونه ای از یک کهکشان مارپیچی کرکی

بازوهای مارپیچی در حال پیشروی یا عقب افتادگی

اگرچه ظاهر کلی کهکشانهای مارپیچی پیشنهاد میدهد که بازوهای آنها در حال پیشروی هستند، اما اثبات این موضوع همیشه ساده نیست.تمایز بین بازوهای مارپیچی عقب افتاده و جلو افتاده نیاز به تعیین جهت صفحه کهکشان نسبت به خط دید دارد بطوریکه بتوان اندازه گیری های سرعت شعاعی را به وضوح بر حسب جهت چرخش کهکشان تفسیر کرد. تقریباً در تمام مواردی که در آن چنین تعیین دقیقی را میتوان انجام داد، بنظر میرسد که بازوهای مارپیچی در حال عقب ماندن هستند. با این حال در یک مورد، NGC4622 دو بازو به یک جهت میروند و بازوی سوم در جهت مخالف در حال حرکت است. دست کم یکی از این بازو ها باید در حال جلو افتادن باشد. همچنین پیشنهاد شده است که کهکشان آندرومدا یک بازوی جلو افتاده ی به سختی پیچ خورده دارد. در همه این موارد این احتمال وجود دارد که دلیل مارپیچ عقب افتاده، یک برخورد جزر و مدی با یک جسم در حال حرکت برگشتی باشد.

مشکل پیچ و تاب

پس از بررسی کهکشان های مارپیچی طبیعی است که بپرسیم علت این ساختار مارپیچی چیست؟ و اینکه آیا بازوهای مارپیچی در مقایسه با سن کهکشان ، دارای عمر طولانی هستند یا گذرا؟
زمانیکه طبیعت ساختار مارپیچی مورد بررسی قرار می گیرد بلافاصله یک مشکل به وجود می آید: بازو های مادی متشکل از یک مجموعه ثابت از ستارگان قابل شناسایی و ابرهای گازی می باشند که الزاماً در یک مقیاس زمانی که در مقایسه با سن کهکشان کوتاه است "در هم پیچانده میشوند". مشکل پیچاندن را میتوان با در نظر گرفتن مجموعه ای از ستارگان که در اصل در امتداد یک خط منفرد ، اما در فواصل در حال تغییر از مرکز کهکشان میباشند، درک کرد. از آنجا که قرص یک کهکشان مارپیچی بطور جزئی میچرخد، ستارگان بیرونی برای کامل کردن یک دور از ستارگان با شعاع های مداری کوچکتر به زمان بیشتری نیاز خواهند داشت. البته این اثر به تولید نسل طبیعی بازوهای مارپیچی عقب افتاده منجر خواهد شد. با این حال تنها پس از چند دور، بازوهای مارپیچی بشدت به یکدیگر پیچانده خواهند شد.این شرایط در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.

مشکل پیچاندن بازوهای مادی؛ باگذر زمان بازوها بشدت در هم پیچانده میشوند.شکل b زمانیست که ستاره A یک دور را کامل کرده و شکل c زمانیست که ستاره A دو دور را کامل کرده است.