Спиральные галактики. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Спиральные галактики - галактики ,в к-рых заметны спиральные ветви; наиб. многочисл. тип наблюдаемых галактик. К С. г. относится, в частности, Галактика ,ближайшими к нам С. г. являются М 31 (туманность Андромеды) и М 33 (туманность Треугольника).

Структура и состав спиральных галактик. В состав С. г. входят звёзды с разл. возрастом и хим. составом, межзвёздный газ и межзвёздная пыль. Общая структура С. г. показана на рис. Плоская составляющая (1) включает молодые звёзды и газопылевую среду и образует слой толщиной неск. сотен парсек, расширяющийся на периферии. Спиральные ветви (2)также принадлежат плоской составляющей. Диск (3)содержит осн. массу звёзд С. г. Изменение сглаженной плотности

диска с радиусом r и координатой z, перпендикулярной его плоскости, на большом интервале r_мин < r < r_макс обычно следует закону:

Здесь - плотность в центре диска,

r₀ 2-5 кпк - радиальная шкала (характерный размер) диска, z₀0,3-1 кпк - нолутолщина диска; z₀зависит от дисперсии скоростей звёзд вдоль оси z. Закон

описывает распределение плотности в изотермич. самогравитирующем диске. Величина z₀ слабо меняется вдоль r. В нек-рых С. г. на

наблюдается «обрыв» - резкое падение яркости (плотности) диска. Балдж (4) - внутренняя наиб. яркая часть сферической (сфероидальной) составляющей С. г., содержащей старые звёзды с вытянутыми орбитами. Гало (5) - внеш. часть сферич. составляющей; различают звёздное гало, имеющее очень низкую яркость, с массой, значительно меньшей массы диска, и «тёмное» гало, масса к-рого в пределах оптич. границ может превышать суммарную массу др. компонент (см. Вращение галактик, Скрытая масса). Ядерная область (6) - выделяющаяся по яркости или структурным особенностям центр. часть С. г. (см. также Ядра галактик). Спектр обычно содержит эмиссионные линии. В ядерной области часто концентрируются молекулярный газ и связанные с ним области звездообразования. Ок. 1% С. г. обладают активными ядрами (сейфе ртовские галактики). Эти ядра имеют широкие эмиссионные линии, свидетельствующие о быстрых движениях газа, со скоростями в тысячи км/с, высокую светимость (обычно неск. % от интегральной светимости С. г.), нетепловой непрерывный спектр и переменность на разл. масштабах времени.

Содержание газа и звездообразование. Осн. масса межзвёздного газа в С. г. присутствует в двух формах: нейтрального газа (HI) и молекулярного газа (Н₂). В большинстве С. г. почти весь газ сосредоточен в пределах оптич. диаметра диска, однако имеется ряд примеров существования протяжённой газовой оболочки вокруг галактик (М81, М83). Масса газа по отношению к интегральной массе С. г. в ср. падает от галактик типа Sc к Sa. Под действием УФ-излучения горячих звёзд газ ионизуется, образуя протяжённые зоны НИ, хорошо заметные на фотографиях С. г. Поскольку горячие звёзды высокой светимости являются короткоживущими, светимость С. г. в эмиссионных линиях служит критерием интенсивности звездообразования. Др. наиб. часто используемыми индикаторами интенсивности звездообразования являются: показатели цвета (см. Астрофотометрия)С. г., исправленные за межзвёздное покраснение (см. Межзвёздное поглощение ),светимость С. г. в УФ-области спектра или в далёкой ИК-области (

= 10-10³ мкм), где излучает пыль, нагреваемая молодыми звёздами. Количеств. оценки интенсивности звездообразования требуют модельных расчётов. Типичные значения массы рождающихся звёзд

0,01 - 10

/год (

кГ). В расчёте на единицу массы интенсивность звездообразования уменьшается от галактик Sc к Sa - в соответствии с относит. содержанием газа в этих С. г. Области звездообразования образуют комплексы с характерным размером

0,5 кпк. В осн. они сосредоточены в спиральных ветвях С. г.

Спиральные ветви. Наблюдаемые свойства. Спиральные ветви (СВ) представляют области концентрации молодых звёзд и звёздных комплексов, межзвёздного газа, пыли и связанных с газом магн. полей (магн. индукция

10^-5-10^-6 Гс). На фоне звёздного диска СВ выделяются повышенной яркостью и более голубым цветом. Пыль часто образует длинные неровные прожилки, идущие вдоль внутр. кромки СВ, что интерпретируется как результат существования ударных фронтов в межзвёздной среде. За редким исключением СВ являются закручивающимися, т. е. их концы направлены в сторону, обратную вращению. СВ редко обладают правильной формой, часто они имеют иррегулярные очертания, изломы, ответвления, разрывы. В нек-рых случаях СВ сливаются, образуя замкнутые кольца; такие С. г. наз. кольцевыми.

Различают СВ флокуллентные и регулярные. Первые представляют собой совокупность отдельных много-числ. коротких дуг, не продолжающих одна другую. Вторые прослеживаются на большом протяжении, нередко более одного оборота. В этом случае чаще всего наблюдаются две ветви. Обычно ветви С. г. содержат в той или иной пропорции признаки обоих структурных типов.

Механизм образования и поддержания спиральных ветвей. В дифференциально вращающемся диске галактики спиральная структура может быть долгоживущей в двух случаях: когда СВ непрерывно возникают и разрушаются и когда весь спиральный узор вращается с одинаковой угл. скоростью, в отличие от диска С. г., т. е. не связан с ним жёстко. Первый вариант пригоден для объяснения флокуллентных СВ, к-рые образуются, если в галактиках непрерывно возникают локальные очаги звездообразования. Дифференц. вращение растягивает их в дуги, пока они не потеряют яркость и не исчезнут с прекращением образования массивных звёзд. Концентрацию старых звёзд диска флоккулентные СВ не меняют.

Регулярные СВ рассматриваются как волновые образования в диске [идея принадлежит Б. Линдбладу (В. Lindblad)]. В процессе движения вокруг центра С. г. звёзды и газ периодически проходят через гребни волн. При этом регулярно меняется как плотность, так и скорости их движения. Анализ поля скоростей газа С. г. (а для нашей Галактики - и звёзд) подтверждает волновой характер СВ. наиб. высокую амплитуду изменения плотности имеет газ, поскольку дисперсия скоростей газовых облаков (

10 км/с) в неск. раз ниже, чем звёзд диска, а столкновения газовых масс сопровождаются потерей энергии. Повышение плотности газа в СВ является осн. причиной увеличения интенсивности звездообразования в них.

Разрабатывается неск. подходов к объяснению механизмов возбуждения и поддержания спиральных волн плотности (СВП) в С. г. Возможность существования СВП как малых возмущений в гравитирующем бесстолкновит. (звёздном) диске впервые была показана в работе К. Лина (С. Lin) и Ф. Шу (F. Shu). В наиб. простом случае в гидродинамич. приближении для линейных колебаний, описывающих туго закрученные СВ, дисперсионное соотношение имеет вид:

Здесь

- волновое число, т - мода колебаний (число спиралей),

-угл. скорости вращения диска и СВП соответственно,

- невозмущённая поверхностная плотность диска, c_s - скорость звука или дисперсия скоростей,

- эпициклич. частота. Роль сил упругости в бесстолкновит. среде играют силы Кориолиса. Знак k определяет направление вращения спиралей (закручивающиеся или раскручивающиеся СВ). Дисперсионное соотношение даёт два решения для k, соответствующих «коротким» и «длинным» волнам, к-рые отличаются помимо

направлением распространения. Величина

для бесстолкновит. газа может иметь значения в интервале

. Области диска, где реализуются верхние и нижние пределы, наз. соответственно внешним и внутренним линдбладовскими резонансами, а область

- коротацией. Короткие волны распространяются от коротации к резонансам, длинные - в обратном направлении. На резонансах происходит обмен энергией между волной и звёздным диском. Если внутр. резонанс отсутствует, волна отражается от центра, при этом может произойти её усиление. Волновой пакет распространяется радиально со скоростью

c_s, проходя через диск за ~10⁹ лет. Это обстоятельство, как и затухание СВП при появлении ударной волны в газе, заставляет искать механизмы усиления или возбуждения колебаний. В качестве генератора СВП предлагались вращающийся бар (перемычка), если он имеется в С. г., а также наличие внешнего возмущающего тела (близкого спутника).

В альтернативном подходе, предложенном А. М. Фридманом, СВП имеют не гравитационную, а гидродинамич. природу и генерируются в результате гидродинамич. неустойчивости в газовом диске, к-рый погружён в звёздный диск С. г. Колебания возбуждаются в узкой области диска, где велик градиент скорости вращения v(r)(вблизи локального максимума кривой вращения). Возникающие при этом СВ имеют закручивающуюся форму, а их число определяется отношением

, где

- перепад скорости. Наблюдения показывают, что локальный максимум на кривой вращения наблюдается в центр. части мн. галактик (напр., Галактика, М 31), хотя и не всех. По-видимому, единого механизма генерации СВП не существует.

Литература по спиральным галактикам

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.