Позагалактична астрономія - Юрій Кудря 2016

1.4. Сучасні дані про структуру і фізичні властивості Молочного Шляху

За сучасними даними Галактика має складнішу структуру, ніж двокомпонентна модель (див. п. 1.2). Розрізняють тонкий та товстий диски, центральну частину (ядро), балдж, гало (внутрішнє та зовнішнє) і корону (див. рис. 1.1, 1.2); повна картина будови Галактики неможлива без розгляду близького її оточення — карликових галактик-супутників. Основні параметри, за якими розрізняються підсистеми Молочного Шляху, наведені в табл. 1.1.

1.4.1. Тонкий і товстий диски: розподіл зоряного населення

Сучасне розділення диска на товстий та тонкий ґрунтується на аналізі кінематичних характеристик зір диска та показників їхньої металічності. Виявлена різниця у розподілі кольору та поверхневої густини тонкого та товстого дисків, різні шкали зменшення густини зір із висотою над галактичною площиною. Зокрема, розподіл зір з абсолютними візуальними величинами, більшими за 3^m,5, добре апроксимується сумою двох експонент з параметрами шкали 260 ± 50 пк для тонкого диска та 760 ± 50 пк для товстого (див. (1.4)). При цьому щільність населення товстого диска становить приблизно 7 % щільності тонкого. Кінематичні параметри товстого диска інші ніж тонкого. Так, для зір, вік яких понад декілька мільярдів років, дисперсія швидкостей зір товстого диска вдвічі більша, ніж тонкого (~45 км/с проти ~20 км/с) у вертикальному напрямку. Діаметр товстого диска становить приблизно 30 кпк, балджу — 4 кпк (узагальнені дані див. табл. 1.1).

Таблиця 1.1. Основні параметри структури Галактики

Просторову концентрацію, або щільність розподілу зоряного населення n(z), у напрямку, перпендикулярному до галактичної площини в циліндричній галактичній системі координат, можна приблизно оцінити за такою формулою:

де величина h задає шкалу висот або, іншими словами, товщину відповідного компонента диска. За цією формулою можна умовно виділити «молодий» тонкий диск, в якому переважно містяться газ, пил Галактики та області зореутворення (товщина ≈100 пк); «старий» тонкий диск (товщина ≈325 пк); товстий диск (товщина ≈500 пк; зауважимо, що внесок зоряного населення товстого диска у загальну густину маси зоряного населення в галактичній площині на z = 0 становить лише 2 %). Сонце знаходиться в «молодому» тонкому диску Галактики.

Розрізнити компоненти диска можна також за дисперсією швидкостей (середньоквадратичне відхилення швидкостей від середньої швидкості) зір σ_ζ перпендикулярно до галактичної площини — чим більша дисперсія швидкостей, тим більші стохастичні рухи зір, тобто більшою є шкала висот h (товщина) відповідного компонента диска Галактики. Нехай щільність зір певного зоряного населення в певній частині галактичного диска описується функцією f(V)d³Vзі швидкостями зір V = (V1, V₂, V₃) в елементі об’єму d³V = dV₁dV₂ dV₃ у векторному просторі швидкостей.

Іншими словами, функція f(V)d ³V визначає кількість зір із швидкостями в елементі об’єму [V, V + dVi], i = 1,3 . Тоді середня швидкісь зір певного зоряного населення становить

де— загальна щільність зір певного зоряного населення; R³ — тривимірна область інтегрування в просторі швидкостей. При цьому допускається, що зорі в диску рухаються навколо центру Галактики по колових орбітах. Насправді, швидкість зорі має й орбітальну, й випадкову компоненти (так, для зір в околі Сонця орбітальна швидкість становить ~220 км/с). Дисперсія швидкостей для і-ї компоненти вектора швидкості визначається з урахуванням (1.2) як

Зокрема, для старих зір, віком понад 6 млрд років, дисперсія швидкостей становить σ_z ~ 25 км/с, а шкала висот відповідає h ~ 350 пк; для молодих зір, віком менш як 3 млрд років, σ_z - 16 км/с, h ~ 250 пк. Молекулярний газ, присутній в областях зореутворення, має найменшу шкалу висот h ~ 65 пк (див. також рис. 1.3). Отже, чим молодше зоряне населення Галактики, тим меншою є його шкала висот (товщина).

Щоб оцінити просторову концентрацію зоряного населення n(z) на великих z для товстого диска, вираз (1.1) модифікують, зокрема, для щільності світності, яка пропорційна n(z), і використовують формулу

із параметрами h_z = 2h_тон і L₀ = 0,05L_ʘ/пк³.

Щільність розподілу всього зоряного населення диска Галактики можна розрахувати так:

де (R, z) — циліндричні галактичні координати; h_тон = 325 пк. У цій формулі, як і в (1.1), випадок z = 0 не розглядають, оскільки він не має фізичного сенсу.

Формулу (1.1) використовують також для розрахунку концентрації зоряного населення вздовж галактичної площини, де припускається, що h_R ~ 3,5 кпк (шкала висот або товщина галактичного диска). Зокрема, в околі Сонця для зір з абсолютними зоряними величинами 4,5 < M_V< 9,5 отримуємо, що n ~ 0,02 зір/пк³ (одна зоря в об’ємі 50 пк³).

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