О рукавах и барах
Nov. 4th, 2017 04:18 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
atandakil_gunzeО том, что большинство крупных галактик является спиральными, я уже рассказывал.
Спиральные галактики устроены интересно - в них есть диск со спиральными рукавами (и, бывает, даже не один), в центральной части находится балдж - подобие небольшой эллиптической галактики (хотя ей и не являющийся), вокруг которого вращается диск, и галактическое гало (вообще, не одно - как минимум, гало из звезд и шаровых скоплений (корона) и гало из темной материи).
Издали кажется, что спиральные рукава содержат много вещества, а между ними - пустые места, в которых вещества мало или почти нет.
На самом же деле плотность звезд в галактике и в "пустых" местах между рукавами, и в самих рукавах практически одинакова. Например, мы живем в пространстве между двумя рукавами нашей галактики и на одиночество не жалуемся.
На самом же деле рукава - это не те места, где больше звезд. Рукав - это интересное образование, представляющее собой так называемую "волну плотности", проходящую по газу и пыли, расположенным в межзведной среде галактического диска. В сущности, это - сверхзвуковая ударная волна, распространяющаяся в газе, который, хоть и является разреженным, но подчиняется всем законам аэродинамики.
При этом, что тоже интересно, то, что мы видим - это даже не сам рукав. Фронт сверхзвуковой ударной волны невидим для оптических средств наблюдений. Но он сгущает газ и межзвездную пыль, резко повышая вероятность образования из них новых звезд. Фронт ударной волны излучает радиоволны и может наблюдаться в радиодиапазоне ("радиорукав"). За его спиной после его прохождения в газе происходит множественное рождение молодых звезд, которые интенсивно излучают инфракрасное излучение, в результате чего за радиорукавом с небольшим отставанием следует повторяющая его очертания зона повышенного излучения инфракрасного излучения ("инфракрасный рукав").
И только потом, через несколько миллионов лет после прохождения ударной волны формируются звезды.
Некоторая, весьма незначительная часть этих звезд оказываются достаточно крупными и яркими (массами в пять, десять и более масс Солнца) и принадлежат к классу голубых гигантов и сверхгигантов. Но гиганты и сверхгиганты светятся непропорционально ярко - десятикратно превосходя, к примеру, Солнце по массе, небольшой сверхгигант по светимости оказывается более ярким примерно в тридцать тысяч раз, а более крупные сверхгиганты могут иметь светимости, большие солнечных в сотни тысяч раз. Поэтому с большого расстояния гиганты и сверхгиганты, составляя по количеству лишь несколько процентов звездного населения, определяют более девяноста процентов общей светимости области звездообразования. В результате эту область, в которой светят гиганты и сверхгиганты и которая повторяет форму ушедшей вперед волны плотности, мы видим как ярко-голубую спираль ("видеорукав"). Собственно, именно его и воспринимают как спиральный рукав галактики на фотографиях.
По расстоянию между радиорукавами, инфракрасными рукавами и видеорукавами можно узнать много интересного - от скорости прохождения волны плотности до времени эволюции звезд на ранних этапах их образования.
А потом происходит обычная история. Гигантские звезды живут по галактическим меркам недолго - несколько миллионов или десятков миллионов лет - после чего взрываются и погибают. Так что через несколько десятков миллионов лет после прохождения ударной волны по диску галактики их количество начинает падать практически до нуля. Количество звезд при этом снижается незначительно, а вот яркость участка галактики падает в десятки раз. И мы наблюдает темную область между рукавами.
Интересно то, что область рукава - опасное место для жизни, потому что в тыльной части видеорукава достаточно часто взрываются сверхновые, знаменуя гибель очередного гиганта.
А наше Солнце мало того, что находится между двумя рукавами, так и еще вращается почти с той же скоростью, что и они... Мы находимся в одном из самых безопасных мест Галактики и, возможно, поэтому мы живы.
Некоторые подробности:
Плотность звезд в рукаве по сравнению с остальным диском повышается на 5 - 15% (и всего-то... а яркость - в десятки раз).
Ударная волна на фронте рукава распространяется в основной части галактики со скоростью, заметно превышающей скорость звука в межзвездном газе. Уже на половине расстояния от центра галактики до края диска число Маха (отношение скорости распространения к скорости звука) может достигать 10 и более.
Скачок уплотнения в сверхзвуковой волне (превышение плотности газа на ее фронте по сравнению с исходной) может в этом районе достигать 10 - 30.
То есть, в "середине" диска волна распространяется со скоростью, в десяток раз превышающей скорость звука в межзвездной среде, уплотняя газ в десять и более раз.
Ясно, что при этом из сжатого газа куда легче образуются звезды.
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 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, вращающимся 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 опустившийся 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 (как правило, чем больше балдж - тем больше и масса черной дыры).
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, разрушающимся за короткое время - несколько сотен миллионов, максимум, миллиардов лет. Но на самом деле все еще сложнее - если галактика после разрушения бара 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, например, на нашу Галактику - с каждой поглощенной галактикой-спутником она захватывает порцию газа!) - 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 практически никогда 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.
Ну, и любуемся реальными фотографиями
Спиральные галактики устроены интересно - в них есть диск со спиральными рукавами (и, бывает, даже не один), в центральной части находится балдж - подобие небольшой эллиптической галактики (хотя ей и не являющийся), вокруг которого вращается диск, и галактическое гало (вообще, не одно - как минимум, гало из звезд и шаровых скоплений (корона) и гало из темной материи).
Издали кажется, что спиральные рукава содержат много вещества, а между ними - пустые места, в которых вещества мало или почти нет.
На самом же деле плотность звезд в галактике и в "пустых" местах между рукавами, и в самих рукавах практически одинакова. Например, мы живем в пространстве между двумя рукавами нашей галактики и на одиночество не жалуемся.
На самом же деле рукава - это не те места, где больше звезд. Рукав - это интересное образование, представляющее собой так называемую "волну плотности", проходящую по газу и пыли, расположенным в межзведной среде галактического диска. В сущности, это - сверхзвуковая ударная волна, распространяющаяся в газе, который, хоть и является разреженным, но подчиняется всем законам аэродинамики.
При этом, что тоже интересно, то, что мы видим - это даже не сам рукав. Фронт сверхзвуковой ударной волны невидим для оптических средств наблюдений. Но он сгущает газ и межзвездную пыль, резко повышая вероятность образования из них новых звезд. Фронт ударной волны излучает радиоволны и может наблюдаться в радиодиапазоне ("радиорукав"). За его спиной после его прохождения в газе происходит множественное рождение молодых звезд, которые интенсивно излучают инфракрасное излучение, в результате чего за радиорукавом с небольшим отставанием следует повторяющая его очертания зона повышенного излучения инфракрасного излучения ("инфракрасный рукав").
И только потом, через несколько миллионов лет после прохождения ударной волны формируются звезды.
Некоторая, весьма незначительная часть этих звезд оказываются достаточно крупными и яркими (массами в пять, десять и более масс Солнца) и принадлежат к классу голубых гигантов и сверхгигантов. Но гиганты и сверхгиганты светятся непропорционально ярко - десятикратно превосходя, к примеру, Солнце по массе, небольшой сверхгигант по светимости оказывается более ярким примерно в тридцать тысяч раз, а более крупные сверхгиганты могут иметь светимости, большие солнечных в сотни тысяч раз. Поэтому с большого расстояния гиганты и сверхгиганты, составляя по количеству лишь несколько процентов звездного населения, определяют более девяноста процентов общей светимости области звездообразования. В результате эту область, в которой светят гиганты и сверхгиганты и которая повторяет форму ушедшей вперед волны плотности, мы видим как ярко-голубую спираль ("видеорукав"). Собственно, именно его и воспринимают как спиральный рукав галактики на фотографиях.
По расстоянию между радиорукавами, инфракрасными рукавами и видеорукавами можно узнать много интересного - от скорости прохождения волны плотности до времени эволюции звезд на ранних этапах их образования.
А потом происходит обычная история. Гигантские звезды живут по галактическим меркам недолго - несколько миллионов или десятков миллионов лет - после чего взрываются и погибают. Так что через несколько десятков миллионов лет после прохождения ударной волны по диску галактики их количество начинает падать практически до нуля. Количество звезд при этом снижается незначительно, а вот яркость участка галактики падает в десятки раз. И мы наблюдает темную область между рукавами.
Интересно то, что область рукава - опасное место для жизни, потому что в тыльной части видеорукава достаточно часто взрываются сверхновые, знаменуя гибель очередного гиганта.
А наше Солнце мало того, что находится между двумя рукавами, так и еще вращается почти с той же скоростью, что и они... Мы находимся в одном из самых безопасных мест Галактики и, возможно, поэтому мы живы.
Некоторые подробности:
Плотность звезд в рукаве по сравнению с остальным диском повышается на 5 - 15% (и всего-то... а яркость - в десятки раз).
Ударная волна на фронте рукава распространяется в основной части галактики со скоростью, заметно превышающей скорость звука в межзвездном газе. Уже на половине расстояния от центра галактики до края диска число Маха (отношение скорости распространения к скорости звука) может достигать 10 и более.
Скачок уплотнения в сверхзвуковой волне (превышение плотности газа на ее фронте по сравнению с исходной) может в этом районе достигать 10 - 30.
То есть, в "середине" диска волна распространяется со скоростью, в десяток раз превышающей скорость звука в межзвездной среде, уплотняя газ в десять и более раз.
Ясно, что при этом из сжатого газа куда легче образуются звезды.
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 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, вращающимся 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 опустившийся 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 (как правило, чем больше балдж - тем больше и масса черной дыры).
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, разрушающимся за короткое время - несколько сотен миллионов, максимум, миллиардов лет. Но на самом деле все еще сложнее - если галактика после разрушения бара 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, например, на нашу Галактику - с каждой поглощенной галактикой-спутником она захватывает порцию газа!) - 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 практически никогда 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.
Ну, и любуемся реальными фотографиями
(no subject)
Date: 2021-02-13 04:13 pm (UTC)Замечательно! Читаю с восторгом.
(no subject)
Date: 2021-02-13 04:28 pm (UTC)