Большинство галактик (в том числе и наша Галактика) имеет ярко выраженную спиральную структуру (рис. 9.1.6). В строении таких галактик различают три основных компоненты: диск, почти сфери- ческое гало и корону (рис. 9.1.7а). Нас будет интересовать дисковая компонента — плоское (на основной своей части), круглое образование, толщина которого на два порядка величины меньше его радиуса. Вклад диска в общую массу невелик. Небольшая часть его массы (для Галактики — около 10%) приходится на газ — это практически весь газ, имеющийся в Галактике. Именно в диске располагаются спиральные рукава, занимающие значительную часть его площади. Рукава видны, прежде всего, как области повышенной свети- мости. Они светятся ярко по сравнению с остальной частью галактики не потому, что в них звезды есть, а в остальной — нет: различие в общей концентрации звезд в рукавах и между ними сравнительно невелико — всего порядка 10%. Контраст свечения рукавов определяется рождением в них молодых массивных звезд, которые значительно ярче старых. Яркость рукавов определяется также свечением возбужден- ного водорода, а также свечением "тёплых" молекулярных облаков Н2. Наблюдения показывают, что почти весь газ сосредоточен в рукавах галактики — повышенная плотность газа и обеспечивает в них постоянное звездообразование. Галактические диски находятся в состоянии вращения, причём это вращение носит ярко выраженный дифференциальный характер: угловая скорость вращения вещества диска весьма сильно зависит от расстояния до центра галактики. Типичный пример радиального профиля вращения, характерный для спиральных галактик, приведен на рис. 9.1.76. Профиль вращения галактики определяется распределением тяготеющих масс. Это распределение таково, что в центральной части диска имеется сравнительно компактное и плотное утолщение — так называемый "балдж". Гравитационный потенциал, созданный этой областью, нарастает от центра к ее краю, за которым быстро убывает на фоне сравнительно медленного нарастания гравитационного потенциала, обусловленного действием остального диска, гало и ко- роны. В результате суммарный гравитационный потенциал оказывается таким, что график зависимости равновесной линейной скорости от радиуса представляет собой N-образную кривую: к практически твёрдотельной вращающейся центральной части примыкает относительно узкий участок с резким спадом скорости 0. Вращение диска спиральной галактики в первом приближении можно считать стационарным: центро- бежная сила вращения уравновешивается радиальной компонентой силы тяжести. Иными словами, гравитация является фактором равновесия галактики. Наблюдения, основанные на эффекте Доплера, показывают, что рукава типичной спиральной галактики выгнуты назад — в сторону, обратную направлению движения вещества 1) Типичные значения ро — единицы килопарсек, w (в максимуме у центра и на плато вдали от него) — до сотен километров в секунду. 9.1. Планетарные вихри. Спиральные туманности 469 Рис. 9.1.6. Примеры типичных спираль- Рис. 9.1.7. Характеристики спиральной галак- ных галактик тики: а — осевое сечение спиралей галактики (схема); 1 — диск, 2 — гало, 3 — корона, 4 — балдж, 5 — центральная плоскость, б — ось вращения; б — зависимость скорости вра- щения спиральной галактики w от радиуса р (р = Ро — радиус "скачка" скорости) диска. Такие спиральные рукава называются "отстающими" ("trailing spirals"). Про- тивоположная ситуация - "лидирующие" спирали ("leading spirals") — в изолирован- ных галактиках не наблюдается. Они встречаются крайне редко: только в системах взаимодействующих галактик, да и то лишь при определенных условиях. На первый взгляд, спиральный вид галактик соответствует нашей интуиции: любые радиальные перемещения вещества должны закручиваться в спирали в со- ответствии с законом сохранения момента количества движения. Но если бы спи- ральные рукава создавались вследствие радиальных перемещений частиц, то, из-за сильной дифференциальности вращения вещества, они исчезли бы уже в течение нескольких оборотов галактики. В самом деле, любой такой рукав за указанное 470 Гл. 9. Процессы в космосе и плазмодинамика время должен размыться, поскольку его часть, более близкая к центру галакти- ки, вращается значительно быстрее его периферии. Астрономические наблюдения показывают, что время одного оборота спиральной галактики имеет порядок ста миллионов лет, тогда как спиральный узор существует на два порядка дольше. Эти данные с неизбежностью приводят к выводу, что спиральные структуры га- лактик вращаются твёрдотельно. Трудность интерпретации твёрдотельного вращения спиральной структуры на фоне дифференциального вращения вещества галактики привела в свое время Джинса к предположению, что феномен спиральной структуры галактик определяется новыми, еще не познанными физическими законами. Так возникла проблема спиральной структуры, в решении которой принимали участие Гейзенберг и Вайцзеккер, Чандрасекар, Ферми. Фундаментальный шаг к разрешению этой проблемы был сделан в 1941 году Линдблаадом. Он выдвинул концепцию, согласно которой спиральные рукава — это волны плотности, а стационарная во времени форма рукавов объясняется тем, что волна плотности распространяется вокруг оси галактики с постоянной угловой скоростью.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Спиральные структуры в галактиках» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
