Принцип определения масс галактик довольно прост. Если бы составляющие галактику объекты не притягивали друг друга, то их движение с наблюдаемыми скоростями привело бы к разрушению галактики за несколько сотен миллионов лет. Но силы гравитации препятствуют разлету частей галактики. Поэтому, измерив скорости движения газа или звезд, можно узнать, как распределено вещество в галактике и какова его масса. Пусть скорость кругового вращения в диске галактики на расстоянии R от центра равна V. Тогда масса М галактики, заключенная в пределах R, в первом приближении равна М(R) = V2R/G, где G – гравитационная постоянная. Такой подход позволяет по известной кривой вращения галактики оценить ее массу и узнать, как она распределена в галактике.

В 1970-х было установлено, что форма кривых вращения многих спиральных галактик на больших расстояниях от центра существенно отличается от ожидавшейся. Скорости вращения во внутренней области галактики возрастают с расстоянием R от центра, но, как правило, начиная с некоторого расстояния, почти не меняются с R, сохраняясь высокими даже на периферии диска. Если бы галактика состояла только из обычных (наблюдаемых!) звезд и газа, то скорость вращения во внешних областях галактики должна была бы уменьшаться с ростом R, аналогично тому, как уменьшается скорость обращения планет вокруг Солнца с возрастанием размера их орбит. Более быстрое вращение означает более высокую массу вещества, заключенного в пределах данного радиуса. Отсюда следует, что масса вещества во внешних областях галактик должна быть выше предполагавшейся. Так возникла проблема скрытой, или темной массы в галактиках. Если во внутренней области галактик относительная доля темной массы мала, то чем дальше от центра, тем она больше. Из косвенных данных следует, что основная часть темной массы заключена не в диске, а в сфероидальном компоненте галактик. Поэтому обычно говорят о темном гало галактик.

В различных спиральных и неправильных галактиках доля массы, приходящаяся на темную материю, различна. В большинстве случаев в пределах оптических границ спиральных галактик масса невидимого вещества сопоставима с суммарной массой вещества «видимого»: звезд и газа. Темное вещество продолжает галактику там, где никакого свечения звезд уже не заметно. Но известны и такие галактики, где темная масса преобладает над видимой на всех расстояниях от центра.

Независимо был получен вывод о существовании темной массы и в эллиптических галактиках – по наблюдениям рентгеновского излучения горячего газа. Его температура составляет десятки миллионов градусов, и галактика, состоящая из обычных звезд, была бы не в состоянии удержать такой газ сколь-нибудь долго.

Природа темной массы в галактиках до сих пор не вполне ясна. Часть ее можно связать с маломассивными звездами или телами, промежуточными по массе между звездами и планетами. Их излучение необнаружимо слабо, и поиски таких тел представляет серьезную научную проблему. Маломассивные тела удается обнаружить лишь по их гравитационному воздействию на лучи света от далеких звезд, случайно оказавшихся на одной прямой линии с каким-либо из таких «темных» объектов: отклонение лучей света в гравитационном поле объекта приводит к кратковременному поярчению звезды (эффект гравитационного микролинзирования).

Другое направление поиска скрытой массы связано с попыткой обнаружения новых элементарных частиц, ответственных за эту темную массу. Такие частицы должны иметь ненулевую массу покоя и слабо взаимодействовать с обычным веществом, что делает их трудно обнаружимыми. Общая масса таких частиц должна быть очень велика, они должны заполнять всю галактику, свободно проходя не только сквозь межзвездную среду, но и сквозь планеты и звезды. Ожидается, что скорости движения этих частиц в галактиках примерно такие же, как и скорости звезд. Частицы, обладающие требуемыми свойствами, пока не обнаружены методами лабораторной физики, но их существование предсказывается в рамках физических теорий элементарных частиц. Могут ли они составлять основную массу галактик – это должно быть выяснено дальнейшими исследованиями.

Природа спиральных ветвей. Большинство наблюдаемых галактик высокой светимости – спиральные. Их спиральные ветви – это структурные образования во вращающихся газо-звездных дисках галактик. В абсолютном большинстве случаев вращение галактик происходит в таком направлении, что наружные концы спиралей «отстают» в своем движении (спирали как бы закручиваются). Хотя такая форма спиралей характерна для структур, возникающих в самых различных вращающихся средах, природа спиралей в галактиках оставалась непонятной в течение долгого времени. Проблема заключается прежде всего в объяснении их долгоживучести. Как уже было отмечено, диски галактик вращаются не как твердые тела: их угловая скорость уменьшается с расстоянием от центра. Такой характер вращения должен растягивать, «размазывать» любой структурный узор диска, так что он не просуществует и нескольких оборотов галактики. Тем не менее, спиральные ветви наблюдаются в большинстве дисковых галактик, несмотря на их большой возраст.

С наблюдательной точки зрения спиральные ветви в галактиках представляют собой области, выделяющиеся более высокой яркостью, и причиной этого в основном служит концентрация в них молодых звезд и облаков ионизованного газа, которые также обязаны своим происхождением молодым массивным звездам. Спиральные ветви как бы синхронизируют звездообразование в диске галактики, стимулируя появление плотных облаков газа и молодых звезд вдоль ветвей. Механизмом такой синхронизации служит сжатие межзвездной среды в спиралях. В ветвях действительно наблюдается повышенная плотность всех компонентов межзвездной среды – газа, пыли, магнитного поля, космических лучей.

Значительно сложнее оказалось обнаружить увеличение плотности старого населения звездного диска в спиральных ветвях, составляющего его основную массу. Лишь наблюдения в ближнем ИК-диапазоне позволили убедиться, что спиральный узор затрагивает не только газ и молодые звезды, но, как правило, все компоненты диска. Увеличение плотности диска в области спиральных ветвей возмущает его гравитационное поле. Это приводит к тому, что звезды и газовые облака в диске в своем движении под действием «избыточных» сил притяжения спиралей, испытывают систематические отклонения от кругового вращения, то увеличивая, то уменьшая свои скорости, причем это происходит таким образом, что спиральный узор не размывается при вращении галактик, а является самоподдерживающимся. Такой согласованный процесс математически описывается как волна плотности, распространяющаяся по диску. Это означает, что спиральный узор не «приклеен» к диску, а движется со своей угловой скоростью, которая остается одинаковой на любом расстоянии от центра галактики, и поэтому спиральная ветвь не может быстро «закрутиться и размазаться». При этом внутренние области диска вращаются быстрее, чем спиральный узор, а внешние области – медленнее. Радиус, на котором эти две скорости вращения сравниваются, называется радиусом коротации. Его положение в галактике определяется из анализа скоростей звезд или газа, измеренных для большого количества локальных областей диска.