17.1 Наблюдательные данные о спиральной структуре
Лекция 17. Спиральная структура Галактики
17.1 Наблюдательные данные о спиральной структуре
Спиральная структура является самым ярким структурным элементом большой части наблюдаемых нами галактик. В оптическом диапазоне индикаторами спиральной структуры, в частности, являются: HII-области, полосы пыли, голубые сверхгиганты с некоторой примесью красных сверхгигантов, ОВ-звёзды, цефеиды, пульсары, молодые рассеянные звёздные скопления и звёздные ассоциации. К спиральным ветвям концентрируются гигантские молекулярные облака. Так, наблюдения показывают, что в нашей Галактике численность ГМО в рукаве Персея относится к численности ГМО в межрукавном пространстве как 28:1. Нейтральный водород, наблюдаемый на волне 21 см, также показывает заметное повышение плотности в области спиральных ветвей. Интерес к спиральной структуре вызывается не только тем, что это яркое красивое образование, характерное для большинства галактик, имеющих диск, но и явной концентрацией молодых объектов в спиральных ветвях, что связывает спиральную структуру с процессами звёздообразования.
Еще в 1957 году Цвикки отметил, что объекты разного возраста не одинаково очерчивают спиральные ветви. Согласно современным всеволновым наблюдениям, действительно, молодые объекты спиральной ветви расположены на ее переднем фронте, тогда как более старые оказываются заметно смещенными по галактоцентрическому углу.
Отдельные галактики показывают правильную спиральную структуру, состоящую обычно из двух спиральных ветвей, другие - разбросанные по диску отрезки спиральных ветвей. Корменди и Норман в 1979 г. специально исследовали вопрос: в каких случаях галактика имеет правильную, регулярную спиральную структуру? У выборки из 54 спиральных галактик с правильной структурой 25 галактик имеют центральный бар, 21 галактика вращается почти твердотельно (имеют восходящие кривые вращения), 8 галактик имеют близкие спутники. Современные оценки показывают, что ≈ 10% спиральных галактик имеют упорядоченную (по-английски Grand Design) структуру - две ярко выраженные спиральные ветви, около 60% галактик имеют менее регулярную спиральную структуру, а оставшиеся 30% галактик, так называемые флоккулентные, не имеют регулярной спиральной структуры. В последних могут быть выделены только отдельные отрезки спиральных ветвей. В одной и той же галактике, как правило, сосуществуют элементы как упорядоченной, так и флоккулентной структуры.
Важнейшим является вопрос о направлении закручивания спиральных ветвей. Закручиваются ли спиральные ветви в сторону галактического вращения или в обратную сторону - раскручиваются? Трудность при этом возникает потому, что у галактик, видимых почти с ребра, у которых мы можем исследовать вращение, трудно выделить спиральную структуру, а у галактик, плоскости которых лежат почти в картинной плоскости, невозможно изучить вращение. Анализ небольшого числа галактик с удобным, промежуточным, наклоном показал, что в большинстве случаев ветви закручиваются (отстающие спирали), в некоторых случаях, как правило во взаимодействующих галактиках, возможно обратное (лидирующие спирали). Воронцов-Вельяминов (1964) отметил, что в некоторых галактиках наблюдаются так называемые γ-формы - сосуществование ветвей противоположной закрутки, которые, пересекаясь, образуют структуры, похожие на букву γ. Несмотря на некоторые сомнения, все же сейчас полагают, что спирали являются закручивающимися. Этот вывод сделан и для нашей Галактики, направление закрутки спирального узора здесь установлено по направлению среднего градиента возраста объектов - индикаторов спирального узора.
Хотя спиральные ветви очерчиваются в основном объектами молодого населения I, старые звёзды диска - яркие красные гиганты и многочисленные красные карлики - также показывают те же спиральные ветви, хотя контраст яркости между рукавами и межрукавным пространством при этом заметно ниже. Последнее говорит о том, что спиральные волны реально существуют в галактическом диске, а факт этот установлен с помощью наблюдений в красном и ИК-диапазонах спектра. При этом в ближнем ИК-диапазоне регулярные спиральные ветви выглядят более гладкими и непрерывными, а фрагментарные рукава заметны слабее. На рис.17-1 показано изображение замечательной галактики М51 в видимой области спектра, а на рис.17-2 - в ближней инфракрасной области (полоса J инфракрасного расширения системы UBV Джонсона и Моргана). На рисунках ясно видно, что и в ИК-области спектра, где нет ярких водородных линий и излучают в основном красные гиганты и слабые красные звёзды главной последовательности, спиральные ветви видны хорошо, что свидетельствует об изменении звёздной плотности в диске этой галактики. Более того, звёзды показывают более правильные спиральные ветви, чем области HII.
Важность понимания процессов, связанных с появлением и поддержанием спиральной структуры стимулировал теоретические исследования. Главной задачей теории спиральной структуры, опирающейся на наблюдательные данные, является объяснение двух моментов. Первый - почему многие галактики, содержащие диски как элемент своей структуры, имеют отчетливо выраженный спиральный узор, охватывающий весь видимый в оптическом диапазоне диск? И второй - почему этот узор существует на протяжении многих оборотов галактики, несмотря на разрушающее действие дифференциального галактического вращения? Действительно, если бы спиральный узор существовал в течение короткого интервала времени, мы не наблюдали бы его в большом числе дисковых галактик. С другой стороны, дифференциальное вращение растягивает любое образование в диске, заставляя его исчезнуть за один - два оборота диска. Возможны два варианта объяснения: либо спирали непрерывно исчезают и возобновляются, либо же спиральный узор вращается твердотельно.
Уже давно замечено, что спиральные ветви хорошо описываются выражением для логарифмической спирали, которое в полярной системе координат имеет вид:
|
где R - расстояние от оси вращения галактики, - галактоцентрический угол, Θ0 - некоторая начальная фаза спирали, a - масштабный параметр. При этом спиральный узор галактики характеризуется числом спиралей m и углом закрутки i (см. рис. 17-3). Угол закрутки - это угол между касательной к спирали в данной точке и перпендикуляром к радиусу, проведенному в эту точку. При этом логарифмическая спираль обладает полезным свойством - угол закрутки при изменении полярного угла не меняется, так что угол закрутки есть характеристика спирали в целом, а не отдельных ее отрезков. Обычно в галактиках наблюдается двухрукавная спиральная структура (m = 2) с небольшими, порядка 5 - 15 градусов, углами закрутки. При этом для одной спиральной ветви можно использовать формулу (17-1), а вторая ветвь получается сдвигом на 180о. Как будет показано ниже, параметры спирали в нашей Галактике можно найти по наблюдательным данным.
|
Публикации с ключевыми словами:
звездная астрономия
Публикации со словами: звездная астрономия | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
