Общая астрономия. Спиральная структура


Карта сайта

            
Астрономия
древнейшая из наук
 Античная астрономия
 Хронология астрономии
 Современная астрономия
Основы астрономии
 Начала астрономии
 Время и небесная сфера
 Созвездия
 Движение небесных тел
 Астроприборы
 Астрофизика
 Обзоры астрооборудования
 Астрономические наблюдения

Общая астрономия
 Солнечная система
 Звезды
 Наша Галактика
 Внегалактическая астрономия
 Внеземные цивилизации
 Астрономы мира и знаменательные даты

Дополнительно
 Форумы Astrogalaxy.ru
 Астрономия для детей
 Планетарии России
 Это интересно
 Новости астрономии
 О проекте






Общая астрономия. Спиральная структура

Спиральных галактик не менее 70% от общего числа видимых галактик, и потому можно сказать, что спиральный узор — это не редкое явление, а скорее обычное свойство галактик. Вместе с тем распространенность спиралей указывает на то, что этот узор должен быть долгоживущим. В спиральных рукавах галактик сосредоточены их самые яркие и молодые звезды. Именно поэтому спиральный узор отчетливо виден в весьма удаленных галактиках, хотя на долю спиральных рукавов приходится в каждом случае не больше нескольких процентов полной массы галактики. Чаще всего имеются две спиральные ветви, закручивающиеся в одну и ту же сторону. Бывают и более сложные спирали с тремя-четырьмя независимыми ветвями, которые еще и сами нередко ветвятся. Ветви всегда лежат в плоскости вращения галактики. Чаще всего ветви более или менее широко открыты, иногда закручены очень тесно и представляются почти кольцами. У некоторых галактик имеется перемычка, пересекающая ядро; в этих случаях спирали начинаются с концов перемычки. «Ручка камертона» — это эллиптические галактики, начиная с полностью сферических и кончая линзовидными, а «ножки камертона» — спирали с перемычкой и без нее, расположенные в порядке развитости или раскрытости спирального узора. Когда-то думали, что эта последовательность имеет эволюционный характер, т. е. каяедая галактика начинает свою эволюцию как сферическая, затем становится все более уплощенной и, наконец, обрастает спиральными ветвями. Сейчас эта точка зрения оставлена. По современным воззрениям тип галактики определяется условиями формирования: если она возникла из вращающегося облака газа, то быть ей спиральной, если из невращающегося (или слабо вращающегося),— то эллиптической. Что же такое спиральный узор? В первые годы изучения галактик предполагалось, что спиральные рукава представляют собой струи светящегося газа, выброшенные из центра галактики и закрученные в спирали ее вращением. Из газа образовывались звезды, которые сохраняли в своем расположении и движении первоначальную спиральную форму газового рукава. Вскоре, однако, выяснилось, что спирали такого происхождения должны быстро разрушаться из-за неоднородности вращения галактик. Вращение однородно, т. е. происходит с постоянной угловой скоростью, так же, как вращение твердого тела, только во внутренней области галактики; в основном же объеме диска, вне этой области, вращение не однородное, а дифференциальное, т. е. угловая скорость не постоянна, а изменяется (убывает) по мере приближения к краю галактики. Это неоднородное, дифференциальное вращение полностью размывает такой струйный спиральный узор за 3—4 оборота галактики. Чтобы этого не происходило, требуется какой-то дополнительный фактор, который помог бы спиральному рукаву устоять против размывания. В качестве такого фактора предлагались магнитные поля галактик. Считалось, что в спиральном рукаве, как в трубке, газ удерживается магнитным полем, силовые линии которого вытянуты вдоль этой трубки. Но, как выяснилось, магнитные поля галактик слишком слабы, чтобы эффективно противостоять дифференциальному вращению. Современный взгляд на природу спирального узора галактик сформировался в последние 15 лет на основе совсем иных идей. В 1964 г. Лин Цзя-Цзяо и Ф. Шу предложили рассматривать спиральную структуру как волну, распространяющуюся по диску галактики. Если первоначальные представления связывали спиральный узор с какими-то струями или трубками, содержащими с самого начала и все время существования одни и те же частицы, то волновая концепция предполагает, что спираль — это состояние уплотнения, распространяющееся по диску и переходящее от одних его частиц к другим. При этом под частицами нужно понимать и собственно частицы межзвездной среды и целые звезды, уже имеющиеся или возникающие в диске галактики. Волна создает уплотнение в распределении частиц, но не тащит их за собой, а переходит от одних частиц к другим, создавая уплотнение в новом месте и из новых частиц. Таково свойство всякого волнового процесса. В точности то же происходит, например, и в волнах на воде: если бросить камень, волны будут расходиться кольцами, но вода не оттекает за ними.

Щепка, брошенная на воду, не поплывет за волной, а будет только раскачиваться вверх и вниз, не сходя с места. Волна на воде создает кольцевые уплотнения, если вода неподвижна. Совсем иначе выглядит волна, если в воде имеется общее вращение — когда она, скажем, стекает в воронку или ее раскручивают, как чай в стакане чайной ложкой. В этом случае, как всякий наблюдал, волна в воде из кольцевой становится спиральной. Это же самое происходит и в диске вращающейся галактики. Конечно, среда, частицами которой служат целые звезды, не очень похожа на воду. Но волновые процессы в самых различных средах в высшей степени подобны. Математическая теория волн во вращающемся диске, образованном звездами, была построена Лином и Шу, а затем усовершенствовалась Л. С. Марочником, А. М. Фридманом и другими исследователями. Она полностью соответствует наглядным представлениям о спиральных волнах на воде, почерпнутым из повседневных наблюдений; разумеется, она учитывает и конкретные особенности диска галактики как среды, по которой распространяется волна. Прежде всего, принимается во внимание, что диск находится в собственном поле тяжести, создаваемом его звездами и межзвездным газом; в расчетах используются сведения о распределении плотности и скорости диска и т. п. Главное свойство волнового спирального узора — его однородное вращение. Хотя диск галактики вращается дифференциально, картина спирального узора вращается вся как целое с постоянной угловой скоростью. Это замечательное обстоятельство сразу снимает все трудности, связанные с дифференциальным вращением, на которые наталкивались первоначальные теории. Именно по этой причине спиральный узор обозначается столь четко и ясно и сохраняет на всем протяжении диска галактики полную регулярность, никак не искажаемую дифференциальным вращением. Итак, волна создает уплотнения в распределении звезд и гребни волны имеют вид спиральных рукавов, раскинувшихся по всему диску галактики.

Но плотность звезд в этих гребнях не так уж велика, они расположены там лишь немного гуще, чем в среднем по диску,— всего процентов на 10, не больше. Такой слабый контраст никогда не был бы замечен на фотографиях далеких галактик, если бы в спиральном рукаве звезды были бы такими же, что и во всем диске. Все дело в том, что вместе со звездами в спиральные рукава сгущается межзвездный газ и он конденсируется там в звезды, которые на начальной стадии своей эволюции очень ярки и сильно выделяются среди других звезд диска. Наблюдения нейтрального водорода в диске нашей Галактики (по его излучению в радиодиапазоне на длине волны 21 см) показывают, что газ действительно образует спиральные рукава. Чтобы рукава четко очерчивались молодыми звездами, требуется достаточно высокая скорость превращения газа в звезды и, кроме того, не слишком большая длительность эволюции звезды на ее начальной яркой стадии. И то, и другое, по-видимому, выполняется для реальных физических условий в галактиках. Продолжительность начальной фазы эволюции ярких массивных звезд меньше времени, за которое рукав волны заметно сместится при своем общем вращении. У. Робертс и С. Б. Пикельнер разработали интересную картину звездообразования в спиральных рукавах. Она основывается на анализе гидродинамических процессов в межзвездном газе, вызванных относительным движением газа и спирального рукава. Скорость вращения спирального узора и скорость вращения диска галактики различны. Из-за этого газ протекает сквозь спиральный рукав или, что то же, спиральный рукав движется по газу. Относительное движение газа и рукава характеризуются скоростями, которые больше скорости звука в газе. Можно сказать, что газ протекает через рукав со сверхзвуковой скоростью. По этой причине возникает ударная волна (и здесь тоже ударные волны!) при «столкновении» газа с рукавом. В ударной волне газ претерпевает сильное сжатие, которое, вероятно, и служит «спусковым механизмом» для процесса звездообразования. Если относительное вращение газа и спирального рукава — единственная причина звездообразования, то нужно ожидать, что в том кольце диска галактики, где обе скорости вращения совпадают (а такое действительно возможно), звездообразование затруднено и само это кольцо — оно называется кольцом коротации — должно быть бедным молодыми звездами. Никаких признаков темных колец, которые прочерчивали бы спиральный узор, как будто не замечается. Вероятно, это означает, что помимо механизма Робертса - Пикельнера действуют и другие процессы, инициирующие звездообразование, для которых не требуется относительных движений и достаточно хотя бы небольшого уплотнения межзвездного газа спиральной волной. В теории спиральной структуры, при всех ее очевидных достижениях, имеется немало трудных вопросов, остающихся пока без ответа. Самый принципиальный из них — направление распространения спиральной волны: идет ли волна от центра наружу или, наоборот, от края галактики к ее центру? Фактически это вопрос о «генераторе» спиральной волны, т. е. о том, где и как возбуждается эта волна. Математическая теория спиральной структуры во вращающейся гравитирующей среде указывает на то, что всякое слабое возмущение должно распространяться в такой среде в виде спиральной волны с тем или иным числом ветвей и скоростью вращения. Но почему в каждой данной галактике реализуется именно одна данная — из множества допустимых — спиральная волна с вполне определенным числом ветвей и скоростью, определяется, вероятно, условиями


возбуждения волны. Лин и Шу полагают, что генератор спиральной волны находится на периферии галактического диска и представляет собой значительное сгущение или, возможно, небольшую галактику-спутник. Такого рода объект действительно способен создавать своим полем тяготения определенные возмещения в общем поле тяготения диска галактики, и эти возмущения должны возбуждать в диске спиральную волну. Волна такого происхождения распространяется к центру галактики. Скорость вращения спирального узора определяется при этом скоростью обращения «генератора» вокруг центра галактики, и сам этот генератор — сгущение или галактика-спутник — должен находиться на конце одной из спиральных ветвей. Известно немало примеров галактик, которые действительно имеют те или иные сгущения на концах своих спиральных ветвей. Такова и спиральная галактика в созвездии Гончих Псов. Для нашей Галактики внешний генератор мог бы находиться на расстоянии 15 кпс от ее центра, на самом краю галактического диска. Скорость вращения (линейная) составляет там приблизительно 160—200 км/с; этой величиной определяется, очевидно, и угловая скорость вращения всего спирального узора, одинаковая по всему галактическому диску. Ее принято выражать в единицах км/(с•кпс). Указанной линейной скорости отвечает угловая скорость 11—13 км/(с•кпс). Угловая скорость вращения диска Галактики в районе Солнца приблизительно вдвое меньше: 20—25 км/(с•кпс). Спиральный узор, имеющий два рукава и вращающийся с указанной угловой скоростью, как будто не противоречит данным о характере распределения нейтрального водорода в диске нашей Галактики. Но эти данные все же не очень определенны; они допускают и совсем иную возможность. Именно, можно предположить, что «генератор» находится не снаружи, а наоборот, в центральной области Галактики.

Источником возбуждения спиральных волн могла бы служить гидродинамическая неустойчивость, развивающаяся в центральной области галактического диска благодаря особому характеру кривой вращения в этой области. Это идея выдвинута А. М. Фридманом и В. Л. Поляченко. Как считают Л. С. Марочник и А. А. Сучков, спиральная волна может возбуждаться также каким-либо несимметричным образованием, вращение которого вызывает возмущение поля тяготения галактического диска. Такое тело должно быть существенно несферичным, так как для сферы поле тяготения не зависит от того, вращается она или нет. Это может быть перемычка, похожая на те, которые наблюдаются у некоторых галактик. Перемычка должна вращаться вокруг своей короткой оси. Скорости вращения в центральной области Галактики больше, чем на периферии. По этой причине и спиральный узор такого происхождения вращается быстрее, чем в картине внешнего генератора; вероятнее всего, угловая скорость вращения в 20—25 км/(с•кис). При этом достигается согласие и с данными о распределении нейтрального водорода и с теми сведениями, которыми мы располагаем о вращении внутренних областей Галактики. Интересно, что в этом случае Солнце находится в кольце коротации, где скорость вращения диска Галактики и скорость вращения спирального узора близки друг к другу. Как замечает Л. С. Марочник, из-за этого, возможно, и сложился тот комплекс условий, который обеспечил формирование планет вокруг Солнца и само развитие жизни на Земле. Если так, то поиск других планетных систем и,— как знать,— иных цивилизаций стоит вести именно в направлении кольца коротации в Галактике.



Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта 09.12.2006



Главная страница раздела

Copyright © 2004 - 2016, Проект 'Астрогалактика' • выпущен 12.07.2004
Top.Mail.Ru