[Yelin]

23.02.2013 в 17:25

Пишет  Atandakil:

О рукавах и барах
О том, что большинство галактик является спиральными, я рассказывал здесь: alef0.diary.ru/p170778292.htm.

Здесь: alef0.diary.ru/p165462620.htm и здесь: alef0.diary.ru/p164271156.htm я рассказывал о том, как спиральные галактики устроены - в них есть диск со спиральными рукавами, балдж в центральной части и галактическое гало (вообще, не одно - как минимум, гало из звезд и шаровых скоплений и гало из темной материи, но не о том речь) И рассказывал о том, что спиральные рукава на самом деле - одна видимость, волны плотности, бегущие по диску галактики, в своей значительной части - со сверхзвуковой скоростью, причем плотность расположения звезд в рукаве по сравнению повышена ненамного - на проценты - а яркость рукава превышает яркость остального диска во много раз только за счет того, что в рукаве много молодых свежеобразованных ярких звезд-гигантов, которые успевают умереть до того времени, как им доводитс выйти из рукава.

Там же я рассказывал, что большинство спиральных галактик имеют бар - перемычку, пересекающую балдж. У галактик с баром спиральные рукава отходят от концов бара.

Млечный путь - тоже галактика с баром. Бар - это тоже не постоянная структура, а, как и спиральный рукав - волна плотности, вращающаяся в диске; как и в спиральном рукаве, звезды входят в бар и потом из него выходят.

А теперь я подумал, что неплохо было бы рассказать кое-какие подробности. Для этого придется начать издалека - с движения звезд в диске галактики.

Разумеется, любая звезда под действием галактического гравитационного поля обращается вокруг центра галактики более или менее по эллипсу. Однако вращение звезды вокруг галактического центра существенно отличается от, например, вращения планеты вокруг Солнца, тем, что в первом случае гравитационное поле не является центральным - оно относительно равномерно распределено по объему, и практически не существует точки, к которой звезда притягивается - а это приводит к интересному следствию: эллипс, представляющий собой траекторию движения отдельной звезды в диске галактики, сам по себе вращается. Например, Солнце совершает полный оборот вокруг центра Галактики за 230 миллионов лет - а эллипс, по которому оно двигается, совершает полный поворот за 790 миллионов лет.

Анализ движения звезд в диске показывает, что угловая скорость поворота эллипса (так называемая эпициклическая частота) зависит от удаления звезды от центра галактики в большей степени, чем угловая скорость движения самой звезды по эллипсу (это связано именно с распределенным характером гравитационного поля и плотности галактики). В результате оказывается, что в галактическом диске есть два выбранных радиуса, для которых угловая скорость вращения звезд, находящихся на данном расстоянии от центра галактики, равна угловой скорости поворота их эллипса, представляющего собой их траекторию (эпициклической скорости). Такое состояние, при котором звезда обращается вокруг центра галактики по эллипсу, вращающемуся с той же скоростью, что и сама звезда, называется резонансом Линдблада.

И вот тут начинается интересное. Если эллипсы по которым вращаются соседние звезды, сами по себе вращаются с близкими угловыми скоростями, под действием притяжения друг друга и случайных внешних гравитационных воздействий, например, гравитации соседней галактики, звезды (а, в первую очередь, даже не звезды, а газовые облака, обращающиеся в галактике по тем же законам) могут начать сближаться и вращаться синхронно, будучи связанными взаимным притяжением. В результате происходит интересный эффект - в некоторой изогнутой области пространства эллипсы траекторий сближаются, а потом, в других областях, опять расходятся. И область сближения эллипсов мы и видим как спиральный рукав.

Нетрудно понять, что на радиусах Линдблада (то есть, на тех расстояниях, для которых орбитальная скорость звезд равна эпициклической) такого быть не может - там звезды движутся по эллипсам, сращающимся со скоростью вращения самих звезд, то есть, с точки зрения наблюдателя, практически неупорядоченно. И, получается, что описанные выше волны плотности могут существовать лишь в двух зонах галактики - внутри внутреннего радиуса Линдблада и между внутренним и внешним радиусами (теоретически, они могут существовать еще и снаружи внешнего радиуса, но практически он настолько велик, что внутри его находится весь галактический диск).

Вот и получается, что волны плотности между радиусами Линдблада живут и обращаются по диску независимо от волн плотности внутри радиуса Линдблада - вторые именуются спиральными рукавами, а первые, внутренние, формируют бар.

Иллюстрация того, как синхронно поворачивающиеся орбитальные эллипсы формируют волны плотности:

Тут мы видим и волны плотности внутри одного радиуса (бар) и между радиусами (спиральные рукава).

При этом стоит упомянуть интересное обстоятельство. На динамику вещества в волне плотности очень большое влияние оказывает газ. Дело в том, что звезды входят в волну и выходят из нее без существенных последствий для себя и своего движения - а большие газовые облака при сближении соударяются, сжимаются (отчего спиральные рукава и являются областями звездообразования и посему так хорошо видны), теряют кинетическую энергию - и в результате, газ приобретает тенденцию "опускаться" - теряя скорость, приближаться к центру галактики. Газ из основной части диска по этой причине опускается к внутреннему радиусу Линдблада - и, в результате, формируется хорошо известная из наблюдений зона звездообразования в центральной части спиральных галактик, некогда удивлявшая астрономов (ведь без учета этого обстоятельства трудно понять, отчего газ в балдже не закончился миллиарды лет назад). А неизрасходованный газ, случайно опустивший ниже радиуса Линдблада, тормозится в баре и опускается еще ниже - к самому центру галактики.

А что у нас в центре галактики? Правильно, черная дыра. И теперь становится ясным, какому именно источнику сверхмассивные черные дыры в центре галактик обязаны подпиткой газом и своим ростом.

А заодно - и почему масса центральной черной дыры галактик коррелирует с массой и размером балджа.

Что интересно - при достаточно большом количестве медленно вращающегося газа, поступившего в центральную область галактики, он начинает еще и разрушать бар, то есть, своим воздействием рассеивать звезды в баре. В результате бары оказываются зачастую временным компонентом галактики. Но на самом деле все еще сложнее - если галактика после разрушения опять захватит порцию газа с большим угловым моментом (а мы знаем, что галактики постоянно захватывают порции газа с большим угловым моментом! По крайней мере, большие спиральные галактики - хищники Вселенной! Посмотрите на нашу Галактику!) - то быстро вращающийся захваченный газ затормозит процесс падения газа во внешних областях диска на центр галактики, тот очистится, и бар возродится. То есть, бары галактик приходят и уходят - причем доля спиральных галактик с баром за счет описанного процесса может позволить даже оценить скорость роста спиральных галактик (оценка дает, в среднем, удвоение массы за 10 Gyr, то есть, миллиардов лет).

Разумеется, спиральный рукав так просто не разрушить - в нем концентрация газа просто не может оказаться достаточно высокой. К тому же, эта зона диска более чувствительны к возмущениям со стороны гравитационных полей соседних галактик - поэтому спиральные рукава оказывается более устойчивыми.

И в придачу - компьютерное моделирование описанного процесса возникновения волн плотности. Очень наглядно.

Области высокой плотности и сгущения газа специально выделены пурпуром - по аналогии с инфракрасными фотографиями, на которых они соответсвуют областям активного звездообразования (см. напр, alef0.diary.ru/p176440314.htm, alef0.diary.ru/p176352159.htm, alef0.diary.ru или, скажем, alef0.diary.ru/p182574731.htm) Или сравнить с реальной фотографией:

@темы: Астрономія, info