Новая сущность. Часть 13. Твердотельное вращение ядра Галактики

Часть 12. http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/12.html

    Федор Дергачев

    Заканчивая предыдущую часть Интернет-исследования, я отметил, что воздействия новой сущности на самом деле не являются «неуловимыми» – более того, они лежат на поверхности, но невидимы «замыленным» взглядом.

    Сначала приведу «нейтральный» обзор (сделанный тем самым упомянутым здесь «замыленным взглядом») центральной части диска нашей Галактики Млечный Путь, умалчивающий, правда, при всех своих достоинствах, об очень интересной особенности вращения этой области. Естественно, ниже эту особенность я «озвучу» и постараюсь разобрать подробнее.

    Центральная область Галактики

    «Центральные области (ядра) многих галактик очень активны, они являются источниками интенсивного электромагнитного излучения во всех диапазонах длин волн. К спиральным галактикам с активными ядрами относятся, например, т. н. сейфертовские галактики с энерговыделением до 10⁴⁴ эрг/с в центральной области. В Галактике центральная область скрыта от нас мощным слоем пыли, ослабляющим свет в десятки тысяч раз. Однако исследования в инфракрасных (ИК) лучах позволили установить, что Галактика имеет звёздное ядро, похожее на спокойные (несейфертовские) ядра галактик типа Sb и Sc. 
    Светимость центральной области Галактики (R ≈ 1 кпк) не превосходит, по-видимому, 10⁴² эрг/с. Основной вклад в светимость дают звёзды красные гиганты и сверхгиганты, а основной вклад в массу - звёзды-карлики поздних спектральных классов. В самом центре Галактики, в пределах 1 парсека (пк), находятся дискретные источники радио-, ИК- и рентгеновского излучения.

    В центре Галактики обычно выделяют три области. Первая, имеющая радиус 4 кпк интересна особенностями кинематики и распределения газа. Вторая область радиусом R ≈ 600 пк включает в себя звёздный балдж с массой, равной 4 млрд. масс Солнца  и околоядерный газовый диск с массой 600 млн. масс Солнца. Наконец, окрестность центра с радиусом в несколько парсеков называется ядром (часто ядром называют вообще всю центральную часть Галактики). Не исключено, что распределение вещества в центре Галактики асимметрично. Во многих спиральных галактиках обнаружена перемычка (бар), в центре которой расположено ядро, а от концов её отходят спиральные ветви. Такая перемычка может быть и у нашей Галактики.

    Область R < 4 кпк. Здесь обнаруживается резкое (примерно в 4 раза) падение общей плотности газа по сравнению с пиком плотности на расстоянии 4-5 кпк. Кольцо низкого содержания газа (дыра в газовом диске) тянется до расстояний R ≈ 600 - 700 пк от центра, где масса газа на единицу поверхности диска подскакивает от 4-5 до 500 масс Солнца на кв. парсек. Массы газа 600 млн. масс Солнца, содержащегося в области с R = 600 пк, более чем достаточно для того, чтобы при равномерном её распределении внутри полости с R = 4 кпк заполнить указанную дыру. Отсюда возникло предположение, что в области с R < 4 кпк газ испытал сильную потерю момента количества движения из-за турбулентной вязкости или из-за торможения в гравитационном поле вращающейся перемычки и собрался в самом центре Галактики. Эта точка зрения альтернативна другим гипотезам, согласно которым газ в области R < 4 кпк или исчерпался в результате интенсивного звездообразования, или был выброшен из центра Галактики.

    Балдж и газовый диск (R < 600 пк). Эта область особенно ярка в ИК-диапазоне на волне 2 мкм. ИК-радиация, представляющая собой переработанное пылью более коротковолновое излучение звёзд балджа, идёт в основном из области с R < 200 пк и имеет резкий пик интенсивности в самом центре Галактики. Пик выделяется даже в пределах 1 пк от центра, что свидетельствует о сильной концентрации звёзд в очень небольшом объёме ядра Галактики. Центральная часть балджа погружена в ионизованный газ - околоядерный водородный (HII) диск поперечником ≈150 пк. Он хорошо прослеживается благодаря своему тепловому радиоизлучению. Предполагается, что ионизация газа обусловлена молодыми звёздами спектр. класса О. В области зоны HII звёздная масса ≈ 1,5 млрд. масс Солнца, общая масса газа  ≈ 12  млн масс Солнца. Большая часть газа объединена в облака молекулярного водорода, среди которых особенно известны комплексы молекулярных облаков Стрелец А и Стрелец В, расположенные в центральной части околоядерного диска.

    Наблюдения радиоизлучения в линиях и в непрерывном спектре обнаруживают необычное распределение и кинематику газа внутри балджа. По-видимому, весь газ сосредоточен здесь в околоядерном диске с R ≈ 600 - 700 пк, наклонённом к плоскости галактического экватора под углом 22⁰. Диск быстро вращается и расширяется со скоростями 100-200 км/с.

    Существование наклонённого газового диска осложняет решение вопроса о происхождении газа в балдже. Если он попал туда в результате падения из области R < 4 кпк, то трудно объяснить появление наклона оси вращения.

    Ядро Галактики. Наблюдаемое излучение ядра Галактики имеет максимальную интенсивность на волне ≈ 2 мкм (инфракрасный-диапазон). В инфракрасном диапазоне преимущественно излучает пыль, нагретая звёздами балджа (сами звёзды невидимы из-за сильного поглощения излучения в оптическом диапазоне). Но в ядре Галактики обнаружены и компактные ИК-источники, самый интересный из которых - IRS 16 - имеет размеры около 0,1 пк (рис. 13).

Рис. 13. Изофоты ИК-излучения центра Галактики на волне 2,2 мкм. Крестиком отмечен источник IRS 16, находящийся в центре звёздного балджа Галактики. По горизонтальной оси - прямое восхождение

    В этом районе находится радиоизлучающая область HII - Стрелец А Западный (рис. 14).

Рис. 14. Изофоты теплового радиоизлучения центра Галактики. Показан радиоисточник Стрелец А Западный 

     Предполагается, что она содержит скопление O-звёзд. Методом радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой в её центре был обнаружен, пожалуй, самый удивительный объект Галактики. Это чрезвычайно компактный источник нетеплового радиоизлучения размером меньше 0,001'', т. е. меньше 10 астрономических единиц. Было высказано предположение, что он является чёрной дырой с массой ≈ 1 млн. масс Солнца.

    По излучению на волне λ = 12,8 мкм (линия Nell) удалось выяснить особенности движения в самом центре Галактики, в области диаметром 1 пк. Были обнаружены большие хаотические скорости и радиальное расширение вещества; найдены признаки его вращения со скоростью до 200 км/с. Отсюда найдена масса внутри этой области: M ≈ 5 млн. масс Солнца. Таким образом, если это вещество сосредоточено в звёздах, то концентрация звёзд в ядре Галактики в миллионы раз больше, чем в окрестности Солнца. Ось вращения ядра проходит через источник IRS 16, который, возможно, является центром звёздного балджа.

    Большой интерес представляет хим. состав ядра Галактики. Поскольку в ядре Галактики звёздная плотность исключительно высока, можно было бы ожидать здесь существенно иную картину эволюции хим. состава вещества, иное содержание тяжёлых элементов. Однако наблюдения пока ничего не говорят в пользу этого предположения. Оказалось, что температура зон HII в ядре Галактики выше, чем зон HII в спиральных рукавах, а поскольку эта температура определяется отводом теплоты за счёт излучения тяжёлых элементов, то указанный факт интерпретируется как отсутствие повышенного содержания тяжёлых элементов в ядре Галактики. Этот вывод может быть очень важен для правильного понимания химической эволюции Галактики в целом». («Динамика и кинематика Галактики». «Центральная область Галактики»).

Что в центре нашей галактики

    После знакомства с вышеприведенным чрезвычайно интересным, но, к сожалению, неполным обзором можно перейти к обещанной особенности: дело в том, что центр нашего Млечного пути (как и многих других галактик) вращается как твердое тело. «Ядра галактик вращаются как твердые тела». («Звезды, галактики, Метагалактика». – 3-е изд., перераб. и доп. – М,: «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1981, стр. 165. глава III «Галактики», раздел «Вращение галактик»).

    Твердотельное вращение ядра Галактики

    «Ядро галактики вращается как твердое тело. В самом деле, линейная скорость вращения  v, угловая скорость w и расстояние R до центра вращения связаны равенством

v = w R.

    Поэтому только при вращении, подобном вращению твердого тела при постоянстве угловой скорости w, у всех точек линейная скорость вращения пропорциональна расстоянию от центра. (Стр. 164).

    Мы видим, что у [галактики] NGC 5055 кривая скоростей сначала, близ центра, близка к прямой. Это подтверждается вращением ядра как твердого тела, так как указывает, что линейная скорость вращения пропорциональна расстоянию от центра галактики, а угловая скорость постоянна. Затем кривая отклоняется от прямой, линейные скорости продолжают возрастать, но не так быстро, как получилось бы по прямой. Это означает, что угловая скорость вращения начинает убывать по мере удаления от центра галактики.

    За некоторой точкой уменьшение угловой скорости уже не может компенсироваться увеличением расстояния, произведение w R, а следовательно, и линейная скорость начинают убывать…» («Звезды, галактики, Метагалактика». – 3-е изд., перераб. и доп. – М,: «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1981, стр. 167. глава III «Галактики», раздел «Вращение галактик»).

Кривая вращения типичной спиральной галактики: предсказанная (A) и наблюдаемая (B)   http://community.livejournal.com/4humanity/16836.html

По мере удаления от центра галактики скорости обращения не уменьшаются,  что говорит о том, что в галактике, в том числе вдалеке от её светящейся части, имеется несветящаяся, темная материя

    Вращение звезд в галактическом центре совершенно не подчиняется законам Кеплера, когда линейная скорость уменьшается с радиусом (обратно пропорциональна квадратному корню из радиуса). С одной стороны, это понятно, потому что влияние центральной черной дыры распространяется только на самую ближайшую к ней область. Но если кинематику галактического ядра, хотя и с большими нареканиями, еще можно принять к сведению, то по динамике возникают неразрешимые вопросы.

    Начну с кинематики.

    «За» и «до» «некоторой точки» 

                                                               

    «За некоторой точкой» от центра спиральной галактики вращение звезд перестает быть твердотельным и становится дифференциальным. Проследим, что же интересного происходит «за» и «до» удивительной «некоторой точки».

    1. «За некоторой точкой» начинаются спиральные рукава галактического диска. Причем «спиральные рукава представляют собой волны плотности, нарастающие до нелинейных амплитуд из-за развития гидродинамических (неджинсовских) неустойчивостей в газовом галактическом диске». (А.Г.Моpозов, А.В.Хопеpсков «Физика Дисков». Глава «Гидродинамическая концепция»).

    Вращение спиральных рукавов твердотельно, но «галактические диски, в которых наблюдаются спиральные структуры, вращаются дифференциально, а не как твёрдое тело. то есть угловая скорость вращения не является постоянной, а уменьшается от центра диска к его периферии». (Алексей Фридман «Из жизни спиральных галактик»).

    То есть эффектная галактическая спираль, включающая миллиарды звезд – это на самом деле перемещающиеся вокруг центра галактики волны плотности, а газ и звезды при обращении вокруг данного центра то уплотняются, попадая в «волну», то «разрежаются», выходя из нее. Галактическая спираль, вращающаяся как целое (поэтому и говорят о ее «твердотельном вращении»), на самом деле подобна морской волне, набегающей на берег, но на самом деле никуда не «бегущей».

    2. «До» «некоторой точки» заканчивается галактический центр, вращающийся твердотельно - «у всех точек линейная скорость вращения пропорциональна расстоянию от центра». В этом месте у 2/3 спиральных галактик находится перемычка – «бар».  

    «Бар галактики (от англ. bar, перемычка) - элемент структуры многих спиральных и неправильных галактик; выглядит как вытянутое уплотнение из звезд и межзвездного газа, лежащее в плоскости диска. Центр бара обычно совпадает с центром диска. Если у галактики есть бар, то спиральные ветви начинаются от концов бара, а не из центра галактики». («Бар Галактики»).

«Кадр Дня: фото спиральной галактики в Большом Псе»

Изображение типичной спиральной галактики с перемычкой. Эта галактика находится в созвездии Большого Пса и имеет название NGC 2217. В центральной части этой галактики четко видна перемычка, состоящая из звезд и окруженная овальным кольцом. Спиральные рукава этой галактики формируют практически идеальные кольца. Они имеют голубоватые цвет, что говорит о наличии горячих, ярких молодых звезд, рожденных в облаках межзвездного газа. Центральный бар выглядит значительно ярче благодаря наличию здесь более старых звезд. В этой галактике видны также темные практически черные регионы, которые говорят о густой пыли, блокирующей проникновение света

   «У концов бара, где начинаются отстающие спиральные рукава, их линейная скорость и линейная скорость дифференциально вращающегося диска совпадают (если бар жестко связан со спиралями). Эта область диска у концов бара является местом основного – коротационного – резонанса галактического диска». (Фридман А.М., Хоперсков А.В. «Физика галактических дисков», стр. 399. Глава 7 «Крупномасштабные волновые галактические структуры». 7.8. «Медленные галактические бары в спиральных галактиках». 7.8.1. «Некоторые особенности формирования баров»).

    Является ли «некоторая точка» местом коротационного резонанса? Нет. Зона коротации находится значительно дальше от центра – а именно, там, где галактический диск уже «уверенно» вращается дифференциально.

    «Галактическая волна плотности распространяется от центра Галактики по спирали. Эта спиральная волна плотности обращается вокруг галактического центра с постоянной угловой скоростью (не зависящей от расстояния от центра Галактики). Поэтому спиральный узор при вращении сохраняется. Но этот узор есть картина распределения плотности. Что же касается отдельных «частиц» вещества — звезд или межзвездных облаков, скорость вращения которых зависит от расстояния от центра Галактики, то они при своем движении пересекают спиральную структуру. Звезды входят в спиральный рукав и, миновав его, вновь выходят в пространство между рукавами. На расстоянии 10-15 кпк от центра Галактики (пока расстояние точно не известно) скорость галактического вращения совпадает со скоростью вращения спирального узора. Эта область получила название зоны коротации. Вблизи нее звезды никогда не пересекают спиральные рукава. Некоторые авторы считают, что Солнце находится как раз в зоне коротации и что это оказало решающее влияние на происхождение жизни в Солнечной системе.
    Как возникают в Галактике волны плотности, что является их «генератором» - этот вопрос остается пока нерешенным. Возможно, разгадка таится в природе самого Галактического центра, откуда распространяются волны плотности». («Звездная система - Галактика»).

    Кстати, на поставленный в отрывке «нерешенный» вопрос последние исследования дают уверенный ответ: «имеющийся в центре галактики бар действует как генератор, возбуждающий и поддерживающий волны плотности» (Л. С. Марочник,  "Физика Космоса", 1986. Глава «Спиральная структура галактик»).

    «Важнейшей проблемой активных галактических ядер (АГЯ) является выявление механизма, который поставляет газ в самый центр галактики, в область гравитационного влияния массивной черной дыры. Общепринято, что бары могут приводить к сильным неосесимметричным движениям газа и обеспечивать ''прокачку'' газа через центр». («Бары в галактиках. Галактики с активным ядром»).

    Обязательно возьму это на заметку, но, тем не менее, получается интересная ситуация – внутренняя часть бара галактики частично находится в зоне твердотельного вращения диска, а внешняя часть – в зоне дифференциального вращения.

    «Балдж нашей Галактики вращается как твердое тело до расстояния в 1 кпк от центра (если не считать самых внутренних областей, где сильно влияние «центрального монстра»), то есть скорость орбитального движения звезд линейно возрастает по мере удаления от центра». («Млечный путь и наше место в нем»).

    «Анализ движения звезд подтверждает, что выпуклость в центре нашей галактики является массивным баром, один конец которого практически точно направлен в сторону Солнца. При этом бар вращается как твердое тело». (22.12.2011, 15:40, Мск). http://www.rnd.cnews.ru/natur_science/news/top/index_science.shtml?2011/12/22/469956

    «Твердотельно вращающаяся перемычка (бар)» (Фридман А.М., Хоперсков А.В. «Физика галактических дисков». – М, ФИЗМАТЛИТ, 2011,, стр. 46. Глава 1 «Наблюдаемые свойства дисковых галактик». 1.4. «Крупномасштабные структуры в S-галактиках». 1.4.4. «Галактические бары»).

    В результате сравнения балджа и бара оказывается, что в центре галактического диска два принципиально разных объекта вращаются твердотельно, причем у одного – вращение истинное (балдж), а у второго – волновая иллюзия, аналогичная спиральным рукавам: «бары и спиральные рукава - это волны избыточной плотности, где звёзды временно скапливаются в своеобразной „космической пробке“». (Франсуаза Комб «Рябь в галактическом пруду». Глава «Бар Млечного пути». «В мире науки»).

    Вопрос поставлен. Запоминаю его, чтобы впоследствии вернуться.

«Монстр Млечного Пути» 

    [Последние изменения внесены 9 октября 2014 года] 

    «Новая сущность». Часть 14. «Открытие бездны». http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/14.html