Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СПИРАЛЬНЫЕ ГАЛАКТИКИ

СПИРАЛЬНЫЕ ГАЛАКТИКИ

СПИРАЛЬНЫЕ ГАЛАКТИКИ - галактики, в к-рых заметны спиральныеветви; наиб. многочисл. тип наблюдаемых галактик. К С. г. относится, вчастности, Галактика, ближайшими к нам С. г. являются М 31 (туманностьАндромеды) и М 33 (туманность Треугольника).

Структура и состав спиральных галактик. В состав С. г. входятзвёзды с разл. возрастом и хим. составом, межзвёздный газ и межзвёзднаяпыль. 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 )такжепринадлежат плоской составляющей. Диск (3 )содержит осн. массу звёздС. 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,r₀2-5 кпк - радиальная шкала (характерный размер) диска, z₀0,3-1кпк - нолутолщина диска; z₀ зависит от дисперсии скоростей звёздвдоль 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) составляющейС. г., содержащей старые звёзды с вытянутыми орбитами. Гало (5) - внеш. <часть сферич. составляющей; различают звёздное гало, имеющее очень низкуюяркость, с массой, значительно меньшей массы диска, и «тёмное» гало, массак-рого в пределах оптич. границ может превышать суммарную массу др. компонент(см. Вращение галактик, Скрытая масса). Ядерная область (6) - выделяющаясяпо яркости или структурным особенностям центр. часть С. г. (см. также Ядрагалактик). Спектр обычно содержит эмиссионные линии. В ядерной областичасто 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 быстрыхдвижениях газа, со скоростями в тысячи км/с, высокую светимость (обычнонеск. % от интегральной светимости С. г.), нетепловой непрерывный спектри переменность на разл. масштабах времени.

Содержание газа и звездообразование. Осн. масса межзвёздногогаза в С. г. присутствует в двух формах: нейтрального газа (HI) и молекулярногогаза (Н ₂). В большинстве С. г. почти весь газ сосредоточен впределах оптич. диаметра диска, однако имеется ряд примеров существованияпротяжённой газовой оболочки вокруг галактик (М81, М83). Масса газа поотношению к интегральной массе С. г. в ср. падает от галактик типа Sc кSa. Под действием УФ-излучения горячих звёзд газ ионизуется, образуя протяжённые зоныНИ, хорошо заметные на фотографиях С. г. Поскольку горячие звёзды высокойсветимости являются короткоживущими, светимость С. г. в эмиссионных линияхслужит критерием интенсивности звездообразования. Др. наиб. часто используемымииндикаторами интенсивности звездообразования являются: показатели цвета(см. Астрофотометрия )С. г., исправленные за межзвёздное покраснение(см. Межзвёздное поглощение), светимость С. г. в УФ-области спектраили 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 расчётена единицу массы интенсивность звездообразования уменьшается от галактикSc к Sa - в соответствии с относит. содержанием газа в этих С. г. Областизвездообразования 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 болееголубым цветом. Пыль часто образует длинные неровные прожилки, идущие вдольвнутр. кромки СВ, что интерпретируется как результат существования ударныхфронтов в межзвёздной среде. За редким исключением СВ являются закручивающимися, <т. е. их концы направлены в сторону, обратную вращению. СВ редко обладаютправильной формой, часто они имеют иррегулярные очертания, изломы, ответвления, <разрывы. В нек-рых случаях СВ сливаются, образуя замкнутые кольца; такиеС. г. наз. кольцевыми.

Различают СВ флокуллентные и регулярные. Первые представляют собой совокупностьотдельных много-числ. коротких дуг, не продолжающих одна другую. Вторыепрослеживаются на большом протяжении, нередко более одного оборота. В этомслучае чаще всего наблюдаются две ветви. Обычно ветви С. г. содержат втой или иной пропорции признаки обоих структурных типов.

Механизм образования и поддержания спиральных ветвей. В дифференциальновращающемся диске галактики спиральная структура может быть долгоживущейв двух случаях: когда СВ непрерывно возникают и разрушаются и когда весьспиральный узор вращается с одинаковой угл. скоростью, в отличие от дискаС. г., т. е. не связан с ним жёстко. Первый вариант пригоден для объясненияфлокуллентных СВ, к-рые образуются, если в галактиках непрерывно возникаютлокальные очаги звездообразования. Дифференц. вращение растягивает их вдуги, пока они не потеряют яркость и не исчезнут с прекращением образованиямассивных звёзд. Концентрацию старых звёзд диска флоккулентные СВ не меняют.

Регулярные СВ рассматриваются как волновые образования в диске [идеяпринадлежит Б. Линдбладу (В. Lindblad)]. В процессе движения вокруг центраС. г. звёзды и газ периодически проходят через гребни волн. При этом регулярноменяется как плотность, так и скорости их движения. Анализ поля скоростейгаза С. г. (а для нашей Галактики - и звёзд) подтверждает волновой характерСВ. наиб. высокую амплитуду изменения плотности имеет газ, поскольку дисперсияскоростей газовых облаков (10км/с) в неск. раз ниже, чем звёзд диска, а столкновения газовых масс сопровождаютсяпотерей энергии. Повышение плотности газа в СВ является осн. причиной увеличенияинтенсивности звездообразования в них.

Разрабатывается неск. подходов к объяснению механизмов возбуждения иподдержания спиральных волн плотности (СВП) в С. г. Возможность существованияСВП как малых возмущений в гравитирующем бесстолкновит. (звёздном) дискевпервые была показана в работе К. Лина (С. Lin) и Ф. Шу (F. Shu). В наиб. <простом случае в гидродинамич. приближении для линейных колебаний, описывающихтуго 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 - скоростьзвука или дисперсия скоростей, -эпициклич. частота. Роль сил упругости в бесстолкновит. среде играют силыКориолиса. Знак k определяет направление вращения спиралей (закручивающиесяили 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. соответственновнешним и внутренним линдбладовскими резонансами, а область - коротацией. Короткие волны распространяются от коротации к резонансам, <длинные - в обратном направлении. На резонансах происходит обмен энергиеймежду волной и звёздным диском. Если внутр. резонанс отсутствует, волнаотражается от центра, при этом может произойти её усиление. Волновой пакетраспространяется радиально со скоростью c_s,проходя через диск за ~10⁹ лет. Это обстоятельство, как и затуханиеСВП при появлении ударной волны в газе, заставляет искать механизмы усиленияили возбуждения колебаний. В качестве генератора СВП предлагались вращающийсябар (перемычка), если он имеется в С. г., а также наличие внешнего возмущающеготела (близкого спутника).

В альтернативном подходе, предложенном А. М. Фридманом, СВП имеют негравитационную, а гидродинамич. природу и генерируются в результате гидродинамич. <неустойчивости в газовом диске, к-рый погружён в звёздный диск С. г. Колебаниявозбуждаются в узкой области диска, где велик градиент скорости вращения v(r )(вблизи локального максимума кривой вращения). Возникающие при этомСВ имеют закручивающуюся форму, а их число определяется отношением , где - перепад скорости. Наблюдения показывают, что локальный максимум на кривойвращения наблюдается в центр. части мн. галактик (напр., Галактика, М 31),хотя и не всех. По-видимому, единого механизма генерации СВП не существует.

Лит.: Воронцов-Вельяминов Б. А., Внегалактическая астрономия,2 изд., М., 1978; Рольфе К., Лекции по теории волн плотности, пер. с англ.,М., 1980; К r u i t Р. С. van der, Searle L., Surface photometry of edge-onspiral galaxies. 3. Properties of the three dimensional distribution oflight and mass in disk of spiral galaxies, «Astron. and Astrophys.», 1982,т. 110, p. 61; К е n n i с u t t R. C. J г., The rate of star formationin normal disc galaxies, «Astrophys. J.», 1983, v. 272, p. 54; F r i dm a n А. М. и др., Centrifugal instability in rotating shallow water andthe problem of the spiral structure in galaxies, «Phys. Lett.», 1985, v.109 A, p. 228; Ефремов Ю. Н. и др., Современные представления о природеспиральной структуры галактик, «УФН», 1989, т. 157, в. 4, с. 599. А. <В. Засов.