Новая сущность. Часть 18. Свидетельство расширения спиральных ветвей

Часть 17. http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/17.html

    Спиральная структура Галактики и эволюция спиральных систем (продолжение)

    Andrew W. Telow. 25 июля 2005 года

     Содержание:

    •      Спиральные ветви Галактики. Кольцевая структура

    •      Расширение спиральных ветвей

    •      Кривые вращения. Свидетельство расширения

    •      Кратные спирали различного масштаба и возраста

    •      Стадии расширения спиралей

    •      Рукав Ориона. Загадка отсутствия градиента возрастов

    •      Двойные и тройные рукава

    •      Гипотеза напоследок: эллиптические «спиральные ветви»

    Расширение спиральных ветвей

    «Расширение структур, связанных с галактической спиралью, было обнаружено практически сразу после начала радиоастрономических исследований межзвездного водорода, который, как оказалось, имеет к тенденцию к расширению относительно центра Галактики [Эриксон В.К., Хельфер Х.Л., Тейтл Х.Е. Радиоастрономия, Парижский симпозиум 1958 г. М. 1961, с 390]. 
    Пишмиш обнаружила, что «средние остаточные радиальные скорости ассоциаций следует рассматривать как следствие разбегания О-ассоциаций относительно центра Галактики при неподвижном (в смысле радиального движения - А.Т.) Солнце [Pismis P. Bol. Obs. Tonantzitla y Tacubaya, 19, 3, 1960]. Последовавшие затем исследования приводили иногда к выводам, что и Солнце вовлечено в расширение, однако это весьма сомнительно при его возрасте. Однако вывод о расширении системы ассоциаций (и следовательно, спиральных ветвей) остается в силе. Аналогичные данные Митчелла [Mitchell R.S. PASP, 67, 12, 1955], относящиеся к B-звездам, по мнению Пишмиш, подтверждают ее вывод о расширении галактических рукавов, содержащих ассоциации, и их дрейфа относительно Солнца. Движение от центра молодых объектов подтверждается исследованием потоков Каптейна: поток I, направленный фактически перпендикулярно к потоку II, являющемуся локальным стандартом «покоя» (кругового вращения), отражает крупномасштабное радиальное движение молодых звезд и газа от центра Галактики со скоростью ~ 39 км/с [Clube S.V.M., Dordrecht, 1985, 145 -148]. Неучтенное расширение рукавов, очевидно, и есть причина фатальных неудач опытов построения их схемы по лучевым скоростям нейтрального водорода, которому a priori приписываются круговые орбиты в Галактике.

    О расширении в пространство молодых объектов, относящихся к плоским компонентам, свидетельствуют наблюдения других галактик.

    Поле скоростей околоядерного диска М 31 (скорости газа не равны нулю на малой оси - см. рис. 112 в [Шаров А.С., «Туманность Андромеды», М., «Наука», 1982] на с. 354) свидетельствует о движении газа от центра и, очевидно, его расширении. Аналогичную картину скоростей нейтрального водорода можно наблюдать и во всем диске М 31 [Туманность Андромеды - Ф.Д.] вплоть до радиуса в 100' (см. рис. 123 б в [Шаров А.С., «Туманность Андромеды»] на с. 374). На рисунке внизу видно, что линии, соединяющие области равной лучевой скорости, наклонены относительно малой оси, что означает существование не только кругового вращения, но и радиальной компоненты скорости. Аналогичные картины скоростей получены и для других галактик (будут приведены в «Этюдах внегалактической астрономии).

    Существование около сотни OB-звезд, открытых Рихтером [Richter G.A. - AN, Bd. 297, S. 269, 1976] за пределами диска М 31 до расстояния в 120 кпк (!), которые по мнению Шарова [Шаров А.С., «Туманность Андромеды»], возможно, образуют спираль, естественным образом объясняется расширением рукавов в межгалактическое пространство.

    В своих работах я часто упоминаю о неудачных попытках обнаружения градиента возрастов поперек спиральных рукавов. Однако градиент возрастов вдоль ветвей М 33, необъяснимый с позиций теории «волн плотности» и вполне ожидаемый в случае эруптивного образования спиралей, напротив, давно обнаружен. Согласно Воронцову-Вельяминову: «На снимках видно, что в облаках спиральных ветвей отношение числа голубых сверхгигантов к красным сверхгигантам убывает от 17 до 2 по мере удаления от ядра с 50² до 800²  [Воронцов-Вельяминов Б.А., «Внегалактическая астрономия». М., «Наука», 1978, с. 219]…

    В Млечном Пути известно изменение соотношения старых и молодых рассеянных скоплений вдоль радиуса галактики: в целом население диска молодеет к центру (см., например, таблицу 6 в [Ефремов Ю.Н., «Очаги звездообразования в галактиках: Звездные комплексы и спиральные рукава»] на с. 68).

    Кривые вращения. Свидетельство расширения

    Обычно пологие кривые вращения галактик интерпретируют как свидетельство существования скрытой массы. Практически все известные кривые вращения построены по лучевым скоростям эмиссионных областей. Измерение скоростей по абсорбционным линиям чрезвычайно трудно, однако в тех редких случаях, когда оно производилось, обнаруживалась существенная разница скоростей звезд и газа. Очень часто наблюдаются радиальные компоненты скоростей. В эллиптической галактике NGC 1949 наблюдается газопылевой слой, пересекающий ее по малой оси, в спектре которого наблюдаются сильные эмиссионные линии [OII], [OIII], Hβ, Hγ [Möllenhoff C., AA, 1982, 108, № 1, 130 - 133]. Скорости эмиссионных областей имеют значение ±200 км/с, что впятеро превышает круговые скорости в галактике — вращение звездной составляющей происходит со скоростью около 40 км/с! Это означает, что области эмиссии удаляются в пространство от центра галактики. Несмотря на то, что речь идет об эллиптической галактике, имеющей, однако некую плоскую структуру, этот пример показывает, насколько могут быть преувеличены массы галактик, если измерять их по смещению эмиссионных линий. Само это явление вполне правдоподобно напоминает стадию образования ветвей известных галактик с «полярным» кольцом или ветвями.

    Величины массы галактики М 82, определяемые по кривым вращения, построенным по эмиссионным и по абсорбционным линиям, различаются в 4,8 раза [«Инфракрасная и субмиллиметровая астрономия». Под ред. Дж. Фацио: М., Мир, 1979 — Infrared and Submillimeter Astronomy. Ed. By G.G. Fazio. Di Reidel Publ. Co. Dordrecht–Holland/Boston USA, 1976] - это также означает, что эмиссионные объекты в диске удаляются от центра. М 82 - плоская система, что хорошо видно по изображению в ИК-диапазоне на длине волны 2 микрона (2MASS). На этом изображении можно рассмотреть даже некоторые признаки остатков ветвей — две правильные темные дуги, пересекающие большую ось слева от центра. 

    Различия в скоростях эмиссионных областей и газа, вращающегося вместе с диском, наблюдаются и у других галактик. По данным о CO (соответственно H2) и HII у регулярных галактик М 51 и М 31 эмиссионные области имеют скорости на ~70 км/с и на 20–30 км/с и более превышающие круговые. У галактик NGC 7331 и NGC 5055 с рукавами 3 класса по классификации Элмегринов, то есть фрагментарных, скорости «вращения» областей HII систематически на 40–50 км/с больше, чем H2, причем это различие наблюдается не только в рукавах [Ефремов Ю.Н., «Очаги звездообразования в галактиках: Звездные комплексы и спиральные рукава», с. 124]. Последнее свидетельствует о том, что расширяются (удаляются от центра галактики) не только фрагменты рукавов, но и области звездообразования вообще. Это обстоятельство имеет огромное значение для звездной космогонии.

    Я давно придерживаюсь мнения, что кривые вращения доказывают расширение спиральных ветвей в пространство. Такое же мнение высказывал и Х. Арп, также считавший, что ветви образованы в результате выбросов из ядра, а массы галактик, полученные из кривых вращения, преувеличены [Ефремов Ю.Н., «Очаги звездообразования в галактиках: Звездные комплексы и спиральные рукава», с. 112]. Это вполне согласуется с выводами Караченцева, известного исследователя двойных и кратных галактик, которые состоят в том, что движения членов пар и групп свидетельствуют о том, что практически вся масса двойных галактик сосредоточена внутри их оптических границ, а полные массы членов соответствуют тем, что получаются из обычных соотношений масса–светимость [Караченцев И.Д., «Двойные галактики». М.: «Наука». 1987, с.с. 85–86] (подробнее об этом говорится в разделе «Скрытая масса» «Этюдов внегалактической астрономии»).

    Кратные спирали различного масштаба и возраста

    Многоярусные галактики, содержащие две и более системы спиральных ветвей, являются примером, подтверждающим расширение спиралей в пространство. Уже упоминалась галактика М 38, имеющая четкую двухрукавную структуру в центральной области и сложную многорукавную структуру на периферии. Также обсуждалось внешнее кольцо, окружающее нашу Галактику и состоящее из старых звезд.

    Системы спиралей различного возраста и масштабов известны в галактике М 106.

     В ярких молодых ветвях не наблюдается увеличение плотности HI. Ветви HI наблюдаются в стороне под углом около 45º к оптическим, а в плоскости галактики, вероятно, они составляют почти прямой угол. (Они излучают также и в радиоконтинууме, и это означает, что они состоят не только из нейтрального водорода. Радиоветви, не имеющие оптических аналогов, обнаружены П. ван дер Круитом и, позднее, А. де Брайном у других спиральных галактик).

    На глубокой фотографии в H(альфа) проявляется слабое свечение этих ветвей вблизи ядра. Эти ветви хорошо видны как лопасти пропеллера на рентгеновском изображении «Chandra».

    Чуть выше упоминалась система внешних спиральных ветвей, не являющихся продолжением внутренних и лежащих в другой плоскости.

Галактика М 106

    В отличие от ярких ветвей, имеющих голубой цвет ввиду происходящего в них в настоящее время звездообразования, эти более старые ветви имеют желтый цвет (о чем не следует судить по цветным фотографиям, это — колориметрические данные!), а их население имеет возраст несколько сотен миллионов лет. При значении радиального компонента скорости молодых объектов, населяющих ветви нашей Галактики, около 39 км/с (Пишмиш, см. выше), этот возраст вполне соответствует удалению ветвей от центра на соответствующее расстояние.

    Стадии расширения спиралей

    Если система спиральных ветвей расширяется в пространство (от центра галактики), должны встречаться спиральные ветви, не доходящих до ядра и начинающиеся где-то в теле галактики или даже на периферии. Такие примеры известны. Галактики M 33 и NGC 300 имеют развитые ветви, однако в центральных областях пыль распределена в дисках хаотически и никаких признаков спиральной структуры не наблюдается. Пыль, как известно, — наиболее заметный индикатор спиральных ветвей.

    На рисунке представлена NGC 300 в разном масштабе (две первые фотографии - AAO), для облегчения отождествления некоторые объекты помечены черточками соответствующих цветов. На следующем рисунке центральная часть галактики представлена в большем масштабе (HST).

    Видно, что центральная область радиусом 1,5–2 кпк не содержит спиральных ветвей, а пыль в ней представлена отдельными клочьями, распределенными по всему диску. Эта картина очень сильно напоминает распределение пыли в центральной части M 33, представленное в монографии Шарова [Шаров А.С., «Спиральная галактика Мессье 33», рис. 64 на с. 178 и рис. 70 на с.189].

    Интересно, что если нейтральный водород обрисовывает спирали, то пыль, считающаяся наилучшим индикатором волны плотности, совпадает с картиной ветвей лишь в двух коротких дугообразных отрезках длиной около 3′, симметричных относительно центра и находящихся от него на расстоянии около 10′, что соответствует 1,5–2 кпк. В остальном же распределение пыли нисколько не отражает спиральную форму волны, которой, скорее всего, и не существует. (Кстати, отсутствие спиральных ветвей в центральной области NGC 300, где имеются в достаточном количестве и звезды диска, и диффузная среда, проявляющаяся в виде пылевых волокон и клочьев, несовместимо с представлениями о волнах плотности, генерируемых центральным объектом галактики.)

    Хаотичность распределения пыли в центральной области М 33 хорошо видна на замечательной фотографии Роберта Гендлера.

    В галактике NGC 4725 спиральные ветви видны на периферии, в центре же наблюдается однородное диффузное свечение.

Галактика NGC 4725

    Начало рукавов обнаружить не удается: ветви слились в результате расширения, и структура галактики приближается к структуре упоминавшегося объекта Hoag.

Галактика Hoag

    Существуют и более убедительные примеры расширения ветвей в межгалактическое пространство. В монографии Воронцова-Вельяминова приведена фотография галактики MCG 12-17-23 [Воронцов-Вельяминов Б.А., «Внегалактическая астрономия», рис. 9 c на с. 38]: у этого объекта остатки ветвей видны на самом краю довольно однородного диска, причем заметны как следы ярких ветвей, так и пылевых рукавов. 

    На другой иллюстрации приведена фотография галактики NGC 6962, у которой один из рукавов еще заметен в центральной области, а другой почти полностью рассеялся.

    Подобная картина остатков расширившихся ветвей — также как ярких, так и пылевых, наблюдается и в галактике, центром которой является квазар QSO 1229+204 (HST). 

    В Атласе пекулярных галактик Арпа представлена галактика под номером 231, имеющая на некотором расстоянии от главного тела структуры, также напоминающие остатки расширившихся ветвей (большая дуга в верхней части и меньшая снизу).

    Галактика № 96 из Атласа пекулярных галактик Арпа имеет слабые внешние ветви, не связанные с яркими внутренними. Очевидно, внешняя система имеет больший возраст.

    Упоминавшиеся звезды ранних классов, открытые Рихтером вокруг M 31 свидетельствуют о том же. Около сотни OB-звезд обнаружены вплоть до расстояния 120 кпк от центра [Richter G.A. - AN, Bd. 297, S. 269, 1976], хотя уже за пределами радиуса в 30 кпк поверхностная плотность нейтрального водорода меньше 1019 см–2 и недостаточна для звездообразования (в смысле традиционных представлений - путем конденсации газа в звезды) [Davies R.D., Gottesman S.T - MNRAS, v. 149, p. 237, 1970].

    Малин в 1986 году открыл структуры, окружающие «нормальные» эллиптические галактики и имеющие вид остатков рассеявшихся в пространстве спиральных ветвей.

    Эти внешние структуры имеют более голубой цвет по сравнению с главным телом эллиптических галактик. Галактика на рисунке слева очень напоминает следующую стадию расширения остатков спиралей в галактиках MCG 12-17-23 и вокруг QSO 1229+204, которые представлены на рисунках выше.

    Аналогичные структуры наблюдались давно: в упоминавшемся Арповском Атласе пекулярных галактик представлен объект под номером 230 (следующий рисунок)». (Andrew W. Telow «Спиральная структура Галактики и эволюция спиральных систем». 25 июля 2005 года). 

    «Новая сущность». Часть 19. «Тайна галактики Cartwheel (ESO 350-40): "спицы" в "Колесе телеги"». http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/19-cartwheel-eso-350-40.html