ПОЗАГАЛАКТИЧНА АСТРОНОМІЯ - ЮРІЙ КУДРЯ 2016

РОЗДІЛ 6

ОБЕРТАННЯ І РОЗМІРИ ГАЛАКТИК

6.12. «Матеріальний» та «хвильовий» погляди на походження спіралей

Теорія рівноваги та стійкості плоских гравітуючих систем інтенсивно розвивалася у 1960—1970 роках.

Щодо походження спіральних рукавів дискових галактик існує дві конкуруючі можливості.

1. Рукава являють собою матеріальні утворення (зорі, газ разом з магнітним полем), що разом з диском галактик приймають участь у диференціальному обертанні, з тією самою локальною швидкістю, що й диск. Можливість існування таких структур досліджували Гольдрейх та Лінден-Белл (1965) для газових дисків, А. Тумре (1964) — для зоряних дисків.

2. Рукава — хвилі густини, що обертаються твердотільно, незалежно від диференціального обертання диска галактик. Вперше таку теорію висловив Ліндблад. Детально її було розроблено Ч.-Ч. Лінем, Ф. Шу (1964), А. Калнайсом (1973) та іншими.

Обидва напрями досліджень — це чисто гравітаційні теорії, іншими силами взаємодії нехтують. Підінгтон (1973) звернув увагу на істотне значення магнітного поля у формуванні рукавів. Вважається, що чисто гравітаційні теорії — перше наближення більш точних теорій.

У різні роки було висловлено численні «матеріальні» гіпотези щодо утворення спіральних рукавів галактик. Історично першою була гіпотеза, що ґрунтувалася на космогонічній гіпотезі Джинса про походження галактик. Вона полягала у припущенні, що галактика — це газова туманність, яка у своєму розвитку відображує весь шлях еволюційної послідовності Габбла: від еліптичної галактики до іррегулярної, поступово перетворюючись на зоряну систему. Гіпотезу Джинса було спростовано завдяки спостереженням.

Теорія припливної взаємодії пояснює виникнення спіральної структури як результат гравітаційної взаємодії у разі зближення двох або декількох галактик. За певних умов такі зустрічі можуть спричинювати виникнення спіралей. Проте існування ізольованих галактик з добре розвинутою спіральною структурою потребує розвитку теорії без залучення взаємодії.

Відповідно до магнітної теорії утворення спіральної структури магнітне поле, яке утворилося в первісній газовій туманності, зібрало дифузну матерію в два спіральних джгути уздовж магнітних силових ліній. Внаслідок різної кутової швидкості обертання галактики джгути зігнулися і набули спіральної форми.

Гідродинамічна концепція припускає, що спіральні рукава галактик формуються з міжгалактичного газу, який захоплюють галактики при їх обертанні та русі в міжгалактичному просторі.

Але «матеріальним» теоріям спіралей притаманна проблема, яку важко вирішити. Було показано наступне: якщо спіралі рухаються разом з галактикою, що обертається диференціально, то спіралі будуть розтягуватися, густина матерії у спіралях буде зменшуватися, і через деякий час відбудеться «розсмоктування» спіралей, тобто вони є нестійкими. Вік таких спіралей оцінюється порядку одного періоду обертання галактики, тобто приблизно як 108 років. Якщо прийняти вік галактик 1010 років, то дуже

малоймовірно, що ми бачимо всі спіралі саме у час їх короткого існування (космічна змова). Якщо навіть спіралі і зберігаються, вони мають бути багатовитковими, а цього не спостерігається. В «матеріальних» теоріях необхідно, щоб весь час відбувалася регенерація матерії спіралей. Гольдрейх і Лінден-Белл (1964) та Тум- ре (1964) пояснювали можливість регенерації нестійкістю дисків, унаслідок чого рукава «підживлюються» речовиною дисків.

Проте це стосувалося лише гравітаційного підходу, наявність достатньо сильного магнітного поля може запобігти руйнуванню спіралей диференціальним обертанням. Лишається ще можливість пояснити слабку закрученість спіралей тим, що вони руйнуються і створюються знову в середньому раз у 109 років. Можливо, що деякі відрізки спіральних рукавів, наприклад рукав Оріон—Лебідь Галактики, у якому розташоване Сонце, є саме такими матеріальними гілками.

Однак більш обґрунтованою є інша точка зору щодо походження спіральної структури, згідно з якою рукав — спіральна хвиля густини, яка обертається відносно диска з постійною кутовою швидкістю. Вперше довели можливість існування таких хвиль Лінь та Шу (1964). Твердотільне обертання означає, що форма фронту хвилі не спотворюється диференціальним обертанням диска галактики.

Галактики вважаються беззіштовхувальними зоряними системами. За оцінками, час між двома послідовними зближеннями певної зорі з іншими зорями на декілька порядків більший за вік галактики. Тому можливість виникнення хвиль у таких системах є досить неоднозначною. Вважається, що пружність, необхідна для поширення хвиль густини, зумовлена силами Коріоліса, які спричинюють епіциклічний рух зір і утворення згущень.

Згідно з теорією Ліня та Шу спіральні рукава та перемички — це хвилі густини, які виникають через синхронізацію орбітального руху зір. Орбіта зорі в галактиці відрізняється від орбіти планети навколо Сонця, оскільки в галактиці немає домінуючого центрального тіла. Хоча у центрі багатьох галактик є чорна діра, її маса становить малу частку маси галактики, тому речовина здебільшого розподілена досить рівномірно. Як наслідок, зорі рухаються за орбітами, подібними на малюнки спірографа: незамкнутий еліпс постійно зміщується в процесі руху зорі по орбіті. Наприклад, Сонцю потрібно близько 230 млн років, щоб пройти своєю еліптичною орбітою, яка при цьому повертається

на 105°; таким чином, сонячний еліпс робить повний оберт за кожних 790 млн років.

Якщо еліпси зоряних орбіт обертаються зі швидкостями, що сильно розрізняються, в галактиці не формуються хвильові структури. Хвиля виникає тоді, коли або багато еліпсів, або всі вони обертаються з однаковою швидкістю. У динамічному утворенні перемички ці еліпси орієнтовані однаково і створюють область підвищеної щільності уздовж своїх великих осей. У спіральній хвилі орієнтації сусідніх орбіт дещо розрізняються, тому область підвищеної щільності має вигляд зігнутої лінії.

Що ж змушує еліпси обертатися синхронно? Це відбувається за рахунок спонтанної гравітаційної нестійкості. У гравітаційно замкненій системі може виникнути самопідсилення хвиль густини. Якщо спочатку зоряні орбіти «вишикувалися» випадково, то гравітація змінює швидкість обертання еліпсів: швидкі сповільнюються, а повільні прискорюються, так що їх рух синхронізується.

Хвильову теорію спіральної структури галактик розроблено досить детально та підтверджено спостереженнями. Однак існує низка невирішених проблем. Чому регулярний спіральний візерунок спостерігається не в усіх галактиках з плоскою складовою? Часто ми бачимо нерегулярну структуру, що складається з багатьох утворень, для яких подібність спіральних рукавів має місце лише в загальному. Регулярний глобальний спіральний візерунок спостерігається у перетнутих галактиках та у галактиках зі супутниками. У цих випадках регулярну структуру можна пояснити так: бар у центрі галактики діє як генератор, що збуджує та підтримує хвилі густини. Галактики-супутники припливними силами, як свідчить комп’ютерне моделювання, також можуть збуджувати спіральні хвилі густини в основній галактиці (рис. 6.13).

Рис. 6.13. До утворення спіральних хвиль густини






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.