Новая сущность. Часть 8. Волны плотности в спиральных галактиках

Часть 7. http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/7.html

    Спиральные ветви - это волны плотности

    «Вот как представляют себе природу спиральных ветвей галактик в наши дни. Все звезды, населяющие галактику, гравитационно взаимодействуют, в результате чего создается общее гравитационное поле галактики. Известно несколько причин, по которым при вращении массивного диска возникают регулярные уплотнения вещества, распространяющиеся подобно волнам на поверхности воды. В галактиках они имеют форму спиралей, что связано с характером вращения диска. В спиральных ветвях наблюдается повышение плотности как звезд, так и межзвездного вещества - пыли и газа. Повышенная плотность газа ускоряет образование и последующее сжатие газовых облаков и тем самым стимулирует рождение новых звезд. Поэтому спиральные ветви являются местом интенсивного звездообразования.

Большая красивая спиральная галактика с перемычкой NGC 1300 находится на расстоянии около 70 миллионов световых лет в созвездии Эридан. Размер NGC 1300 - более 100 тысяч световых лет

    Спиральные ветви - это волны плотности, бегущие по вращающемуся диску.  
    Поэтому через некоторое время звезда, родившаяся в спирали, оказывается вне ее. У самых ярких и массивных звезд очень короткий срок жизни, они сгорают, не успев покинуть спиральную ветвь. Менее массивные звезды живут долго и доживают свой век в межспиральном пространстве диска. Маломассивные желтые и красные звезды, составляющие балдж (шарообразное "вздутие" в центре галактики), намного старше звезд, концентрирующихся в спиральных ветвях. Эти звезды родились еще до того, как сформировался галактический диск. Возникнув в центре протогалактического облака, они уже не могли быть вовлечены в сжатие к плоскости галактики и потому образуют шарообразную структуру.

Спиральная галактика M66, показанная на рисунке, имеет размеры 100 тысяч световых лет и находится на расстоянии 35 миллионов световых лет от Солнца. Это самая большая галактика в триплете Льва http://www.unikosmica.org.br/site/wp-content/uploads/2010/09/37.jpg

     Рассмотрим спиральные галактики на примере M 51, называемой Водоворотом. У этой галактике на конце одной из спиральных ветвей имеется небольшая галактика-спутник. Она обращается вокруг материнской галактики. Удалось построить компьютерную модель образования этой системы. Предполагается, что маленькая галактика, пролетая вблизи большой, привела к сильным гравитационным возмущениям ее диска. В результате в диске большой галактики создается волна плотности спиральной формы. Звезды, рождающиеся в спиральных ветвях, делают эти ветви яркими и четкими». («Основные типы галактик и их свойства (по Э. Хабблу)»).

    Солнце в Галактике находится в исключительном положении

    «Спиральные ветви (рукава) - характерная особенность так называемых спиральных галактик, к которым принадлежит и наша Галактика. Ветви содержат сравнительно малую часть всех звезд галактики, но они являются одним из наиболее заметных галактических образований, так как в них сосредоточены почти все горячие звезды высокой светимости. Звезды этого типа относят к молодым, поэтому спиральные ветви можно считать местом образования звезд. Кроме молодых звезд в рукавах сосредоточена большая часть межзвездного газа галактики, из которого, по современным представлениям, и образуются звезды…

    Звезды, газ и другие объекты галактического диска движутся по орбитам, близким к круговым. Экспериментально установлено, что угловая скорость этого движения как функция радиуса, убывает с удалением от центра галактики. При таком характере вращения большие газовые облака или другие протяженные образования растягиваются и становятся похожими на часть спиральной ветви. Однако спиральные ветви не могли возникнуть таким путем. Дифференциальное вращение способно создать структуры, похожие на наблюдаемые рукава, меньше чем за 10^9 лет. В течение нескольких оборотов Галактики, возраст которой превышает 10^10 лет, такие структуры должны были разрушиться, пространственное распределение водорода, пыли и горячих звезд стать нерегулярным, чего в большинстве случаев не наблюдается.

    Б. Линдблад (Швеция) первым высказал идею о том, что спиральные ветви могут быть волнами плотности. В 1964 г. Ц. Лин и Ф. Шу (США) показали, что в галактиках действительно могут существовать волны плотности спиралевидной формы, вращающиеся с [постоянной] угловой скоростью (то есть форма фронта таких волн не искажается дифференциальным вращением галактического диска) и распространяющиеся по радиусу с определенной групповой скоростью вращения. Поскольку в Галактике газа мало (2-5%), то волны распространяются по звездному населению, в котором они могут возбуждаться, а газ уже реагирует на возмущение гравитационного потенциала, связанного с волнами, бегущими по системе звезд, то есть его движение в гравитационном поле рукавов является несамосогласованным.

    Галактики представляют собой так называемые бесстолкновительные звездные системы, т.к. время между двумя последовательными сближениями какой-либо звезды с другой звездой на 3-4 порядка больше возраста галактики. Поэтому возможность распространения волн в таких системах довольно необычна. Здесь упругость, необходимая для распространения волн плотности, обусловлена силами Кориолиса, приводящими к эпициклическому движению звезд, то есть в конечном счете - вращению системы.

    В волне концентрация звезд увеличивается незначительно (соответствующее изменение гравитационного потенциала  ≈ 10-20%). Однако реакция межзвездного газа даже на столь значительное изменение гравитационного потенциала галактики велика: разгоняясь в поле спиральной волны звездной плотности, газ приобретает сверхзвуковую скорость и сжимается в несколько раз. Это может привести к возникновению глобальной (охватывающей большую часть диска) ударной волны в межзвездном газе. Одним из наблюдательных проявлений торможения газа в ударной волне (газ догоняет при своем галактическом движении рукава и затем тормозится) являются темные полосы плотного газа с пылью на внутренней кромке спиральных рукавов [фото галактики M51 ниже]. Сжатие газа может служить спусковым механизмом (триггером) для образования звезд. Действительно, индикаторами спиральной структуры обычно служат молодые OB-звезды и их ассоциации, зоны HII, остатки вспышек сверхновых, молекулярные темные облака, H2O-мазеры, источники гамма-излучения (см. Звездообразование). При протекании межзвездного газа через спиральные рукава в нем могут происходить своего рода фазовые переходы с образованием облачной структуры. Это проливает свет на происхождение сосуществующих одновременно различных фаз (холодной, теплой, горячей) межзвездного газа.

    Волновая теория спиральной структуры галактик разработана достаточно детально и допускает количественное сравнение с наблюдениями. Однако имеется ряд нерешенных проблем. Регулярный спиральный узор наблюдается далеко не во всех галактиках, часто видна довольно нерегулярная структура, состоящая из многих коротких образований, которые лишь "в целом" формируют подобие спиральных рукавов. Регулярный глобальный спиральный узор наблюдается обычно у галактик, имеющих бар, и у галактик со "спутниками" (см. фото галактики М51).

Фотография спиральной галактики М51 типа Sc с галактикой-спутником. На внутренней части рукавов видны темные полосы - результат сжатия газа и пыли ударной волной

    В этих случаях регулярная структура находит объяснение. Так, имеющийся в центре галактики бар действует как генератор, возбуждающий и поддерживающий волны плотности. Галактика-спутник, как показывают расчеты.., также может возбуждать спиральные волны плотности в основной галактике, благодаря возникающим здесь приливным силам.

    Несмотря на то что волновая интерпретация спирального узора галактик является практически общепринятой, в рамках самой волновой теории существуют точки зрения, окончательный выбор между которыми могут помочь сделать только наблюдения. Если Галактику со всеми ее подсистемами рассматривать как бесконечно тонкий диск с некоторой средней дисперсией [разбросом – Ф.Д.] скоростей звезд и поверхностной плотностью, соответствующей проекции полной плотности в данной точке, и приписать этой модели наблюдаемую кривую вращения галактики, то геометрия двухрукавного узора оказывается совпадающей с наблюдаемой при угловой скорости  ≈ 13 км/(с*кпк) для определенного типа волн плотности. Согласно другой точке зрения, тип волн плотности определяется плоской подсистемой и дисперсией скоростей ее компонентов, которая намного меньше значения, принятого в первом случае. При этом геометрия наблюдаемого узора лучше описывается другим типом волн с угловой скоростью  ≈ 24 км/(с*кпк). Имеется ряд теоретических соображений и данных наблюдений, свидетельствующих, по-видимому, в пользу того, что в Галактике реализуется второй случай. Если это так, то Солнце в Галактике находится в исключительном положении, что может иметь далеко идущие последствия для космогонии Солнечной системы и происхождения в ней жизни. Поскольку галактический диск вращается дифференциально, а спиральные рукава - твердотельно, в Галактике должна существовать окружность, на которой угловые скорости диска и волны плотности равны. Такая окружность называется коротационной (от англ. corotation - совместное вращение). Ее радиус R=Rс определяется условием

    [угловая скорость радиуса коротации равна угловой скорости волны плотности]. Поскольку в каждой спиральной галактике может существовать только одна такая окружность, то, очевидно, она является выделенной. Угловая скорость вращения Солнца в Галактике  ≈ 25 км/(с*кпк), расстояние Солнца до центра Галактики  ≈ 10 килопарсек (кпк). Если угловая скорость  ≈ 24 км/(с*кпк), то, согласно, модели Шмидта (1965 г.), например, радиус коротации Rс ≈ 10,3 кпк. Это значит, что галактическая орбита Солнечной системы близка к коротационной окружности и, следовательно, находится в особом положении.

    Теория волн плотности разрешила принципиальные трудности в понимании природы спиральной структуры галактик. Однако в целом проблема спиральной структуры пока далека от окончательного решения. Неясны источники энергии волн и механизмы, препятствующие их затуханию, типы волн, ответственные за наблюдаемые спиральные узоры в галактиках. Не удается пока объяснить все многообразие наблюдаемых форм спиральной структуры». (Лит.: Марочник Л.С., Сучков А.А., «Галактика», М., 1984; Каплан С.А., Пикельнер С.Б., «Физика межзвездной среды», М., 1979; Рольфс К., «Лекции по теории волн плотности», пер. с англ., М., 1980; Вокулер Ж., «Классификация и морфология галактик», в сб.: «Строение звездных систем», пер. с нем., М., 1962). (Л. С. Марочник, «Спиральная структура галактик»).

    Гидродинамическая концепция

    «На протяжении этой книги (А.Г.Моpозов, А.В.Хопеpсков «Физика Дисков») не раз упоминалось о гидродинамической концепции образования спиральных структур плоских галактик. Согласно этой концепции, предложенной А.М. Фридманом в 1972 г., спиральные рукава представляют собой волны плотности, нарастающие до нелинейных амплитуд из-за развития гидродинамических (неджинсовских) неустойчивостей в газовом галактическом диске». (6.2 «Гидродинамическая концепция образования спиральной структуры»).

    «По современным представлениям в большинстве случаев механизмы образования глобального и фрагментарного спиральных узоров имеют разную природу. Первый обусловлен глобальной спиральной волной плотности, распространяющейся по галактическому диску. Во втором случае основной причиной является растягивание областей звездообразования за счет дифференциального галактического вращения в обрывки спиральных рукавов. Важным фактором представляется также возможное распространение процесса звездообразования на соседние области. Следует иметь в виду, что возможно сосуществование в одной галактике регулярного и фрагментарного спиральных узоров.

    Как видим, спиральная структура галактик чрезвычайно разнообразна и трудно ожидать наличия единого физического механизма образования спиралей. Отдельные флукулентные спирали могут иметь волновую природу, часть обусловлена приливным взаимодействием. Регулярные галактики весьма сильно различаются своими характеристиками: присутствием газа, наличием спутников и/или бара, кривой вращения, активностью ядер и так далее. Даже у одной и той же галактики одновременно может действовать несколько факторов, приводящих к реально наблюдаемой спиральной структуре.

    По-видимому, почти у всех спиральных галактик спиральные ветви являются отстающими - концы таких спиралей ориентированы противоположно направлению вращения вещества диска. Форму спиральных ветвей пытались аппроксимировать как логарифмическими, так и архимедовыми спиралями. Угловая протяженность подавляющего большинства спиральных ветвей меньше 2 «пи». Возможно, лидирующие спиральные ветви могут возникать в тесных паpах при движении спутника против собственного вращения галактики.

    Хорошо различим спиральный узор в галактиках, видимых практически "плашмя". С уменьшением угла наклона плоскости галактики к лучу зрения определение параметров спиральной структуры становится более трудной задачей. Особую сложность представляет выявление геометрических параметров спирального узора Галактики. Было общепринято считать, что она является спиральной галактикой без перемычки. В самое последнее время появились основания для сомнений в справедливости этой точки зрения. Анализ прежде всего кинематики газа в центральной области не исключает наличия бара в Галактике.

    Как правило, контраст яркости (а следовательно, и плотности) спирального узора галактик по старым звездам диска (в красной области спектра) невелик - в пределах от нескольких процентов до 30-40% от осесимметричного фона».

    («В некоторых редко встречающихся галактиках ранних типов с крайне низким содержанием газа видны только слабоконтрастные спиральные ветви по старым звездам». - Wilkerson M.S. Neutral-hydrogen observations of smooth-arm spiral galaxies. - ApJ, 1980, v. 240, p. L115-L119).

    Но по газу перепад плотности от спирального рукава к межрукавному пространству достигает обычно величины порядка усредненной в азимутальном направлении плотности газового диска (не считая области вблизи фронта волны сжатия, где скачок плотности значительно выше). Молодые звезды ранних спектральных классов (с высокотемпературной поверхностью) концентрируются к спиральным ветвям и как наиболее яркие фактически и высвечивают спиральный узор на общем фоне диска. В целом эти факты говорят о важной роли газовых подсистем и процессов звездообразования в создании спирального узора галактик». (1.3 «Особенности крупномасштабной структуры плоских галактик». 1.3.1 «Спиральный узор»).

    «Новая сущность». Часть 9. «Место Солнца в Галактике». http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/9.html