Астронет: А. В. Локтин, В. А. Марсаков Звездная астрономия в лекциях http://variable-stars.ru/db/msg/1245721/lec.17.3.html

17.3 Параметры спиральной структуры нашей Галактики

Лекция 17. Спиральная структура Галактики

17.3 Параметры спиральной структуры нашей Галактики

Спиральная волна плотности искажает поле скоростей звёзд в диске, так как звёзды, проходя через волну, несколько меняют направление и скорость своего движения. Эти искажения можно выявить с использованием наблюдаемых лучевых скоростей и собственных движений звёзд и рассеянных звёздных скоплений.

В лекции 7 на рис. 7-11 показано распределение молодых рассеянных скоплений в проекции на галактическую плоскость. Из рисунка видно, что скопления очерчивают отрезки кривых, которые мы имеем все основания отождествлять с отрезками спиральных ветвей нашей Галактики. Яркие сверхгиганты и зоны НII позволяют выделить еще два отрезка, кроме обозначенных рассеянными скоплениями на рис. 7-11: так называемую ветвь -I, расположенную ближе к центру Галактики, чем ветвь Киля-Стрельца, и ветвь +I, расположенную за ветвью Персея. Внутренняя ветвь -I может на самом деле представлять собой кольцо, от которого отходят спиральные ветви. Такая структура наблюдается у некоторых спиральных галактик. Из наблюдательных данных можно найти геометрические параметры спирального узора - угол закрутки и длину волны узора, а, привлекая возрасты объектов и считая, что волна плотности является основным спусковым механизмом процесса звёздообразования, - и скорость волнового узора. На рис. 17- 4 показана картина распределения областей НII в проекции на плоскость Галактики (взято из работы Рюссея, 2003). На этом рисунке также показана схема спирального узора, наилучшим образом приближающего наблюдательные данные. Как видим, спиральная структура получается четырехрукавной. Параметры спирального узора нашей Галактики определялись неоднократно разными авторами. Так, астрономы Астросовета АН СССР в 70-х годах ХХ-го века, определяя места рождения рассеянных звёздных скоплений путем расчёта назад во времени галактических орбит этих объектов, получили, что скорость спирального узора должна быть около 21 км/с•кпк.

Локтин и Маткин из Уральского университета определили в 1992 году средний угол закрутки и скорость вращения спирального узора по положениям рассеянных звёздных скоплений разного возраста следующим образом. Так как спиральная волна при своем движении по диску вызывает активное звёздообразование и оставляет за собой звёзды и скопления, возникает градиент возраста звёздных объектов поперек спиральных ветвей. Этот градиент позволяет определить разность между скоростями вращения диска и спирального узора. Форму спиральных ветвей можно представить выражением: Это выражение выбрано потому, что на графике ln R - Θ отрезки спиральных ветвей по рассеянным скоплениям представляются отрезками прямых. Если прологарифмировать выражение (17-6), получим: Если в качестве времени t взять возрасты скоплений, то из выражений (17-8) методом наименьших квадратов можно получить геометрические параметры спиральной структуры, при этом уравнения (17-7) решались по отдельности для скоплений, принадлежащих каждому из отрезков спиральных ветвей. В результате получились следующие значения: D₀ = 7.2 кпк, Ω_p = (21.2 ± 0.3) км/с•кпк, i = 6њ.8 ± 1њ.6. При этом оказалось, что наилучшее приближение наблюдаемой спиральной структуры получается, если структура является четырехрукавной. Однако вопрос о числе спиральных ветвей в нашей Галактике остается еще весьма неопределенным, поскольку рукав Ориона может быть отрогом рукава Киля-Стрельца, так что собственно спиральными ветвями следует считать только ветви Киля-Стрельца и Персея. В пользу последнего предположения свидетельствуют данные наблюдений зон HII, пульсаров и нейтрального водорода, которые не обнаруживают рукав Ориона, но подтверждают существование ветвей Персея и Стрельца.

Существование спиральной волны плотности в галактическом диске можно доказать и исследуя поле скоростей звёзд. Наиболее полно эта задача решена в 1979-1980 гг. в работах Мишурова, Сучкова и Павловской (РГУ и ГАИШ МГУ), где вначале по расстояниям, собственным движениям и лучевым скоростям звёзд находится геометрия спирального узора, положение Солнца относительно рукавов и параметры вращения Галактики на солнечном галактоцентрическом расстоянии. А затем в формулы влияния дифференциального галактического вращения на лучевые скорости и собственные движения звёзд вводятся члены, учитывающие возмущение от гравитационного потенциала волны плотности, и вычисляются параметры спиральной волны. В частности, по данным о лучевых скоростях сверхгигантов и классических цефеид при принятии двухрукавной спиральной структуры, R₀ = 8 кпк и V₀ = 220 км/с они получили Ω_p = 23.3 ± 3.6 км/c•кпк и i = 9њ.6 ± 0њ.6. Таким образом, результаты исследования поля скоростей звёзд доказывают волновую природу спиральной структуры, поскольку если бы спиральные ветви были бы материальными образованиями, закручиваемыми дифференциальным вращением, то движения оставались бы круговыми.