15.1 Dinamicheskie svoistva zvezdnoi sistemy

Lekciya 15. Postroenie modeli Galaktiki

15.1 Dinamicheskie svoistva zvezdnoi sistemy

Nachinaya s etoi lekcii, my kratko rassmotrim nekotorye osnovy dinamiki zvezdnyh sistem primenitel'no k strukture Galaktiki i dvizheniyu zvezd v nei. Dinamika zvezdnyh sistem - eto otrasl' astronomii, izuchayushaya svoistva zvezdnyh sistem i evolyuciyu etih sistem pod deistviem sil tyagoteniya, kotorye opredelyayutsya raspredeleniem mass i v svoyu ochered' opredelyayut dvizhenie etih mass. Rassmotrim nekotorye dinamicheskie svoistva nashei zvezdnoi sistemy.

Osnovnaya vidimaya massa nashei Galaktiki, kak bylo pokazano v predydushih lekciyah, zaklyuchena v zvezdah. Mezhzvezdnaya sreda v dinamike Galaktiki igraet skromnuyu rol', sostavlyaya neskol'ko procentov ot polnoi massy Galaktiki. Tol'ko otnositel'no nemnogochislennye gigantskie molekulyarnye oblaka, obladayushie bol'shimi massami, mogut okazyvat' zametnoe vliyanie na dvizhenie blizkih k nim zvezd i evolyuciyu zvezdnyh skoplenii i Galaktiki v celom. To, chto krupnye galaktiki raspolozheny otnositel'no daleko ot nashei i prakticheski ne vliyayut na dvizhenie zvezd v nei, a blizkie karlikovye galaktiki slishkom maly, pozvolyaet v pervom priblizhenii schitat' nashu Galaktiku izolirovannoi sistemoi i ogranichit'sya pri izuchenii ee dinamiki uchetom sovokupnosti ob'ektov, sostavlyayushih tol'ko nashu zvezdnuyu sistemu.

Tak kak zvezdy Galaktiki raspolozheny daleko drug ot druga (dvoinye zvezdy mozhno rassmatrivat' kak odinochnye), to mozhno prenebrech' vzaimodeistviem zvezd mezhdu soboi (tak nazyvaemymi irregulyarnymi silami) i uchityvat' tol'ko sglazhennoe sovmestnoe vliyanie na probnuyu zvezdu vseh ob'ektov sistemy vmeste (regulyarnye sily). Eto zaklyuchenie podkreplyaet i bol'shoe kolichestvo zvezd v Galaktike, poskol'ku, chem bol'she tel v sisteme, tem men'shee znachenie imeyut v nei irregulyarnye sily po sravneniyu s regulyarnymi.

Esli pytat'sya rassmotret' dvizhenie kazhdoi zvezdy Galaktiki v pole, sozdavaemom vsemi ostal'nymi zvezdami, to neobhodimo dlya dannoi zvezdy reshit' sistemu iz 6N uravnenii dvizheniya, gde N ≈ 2 ⋅ 10¹¹ - chislo zvezd v Galaktike. Pri etom sleduet dlya kazhdoi zvezdy zadat' polozheniya i skorosti v nekotoryi nachal'nyi moment. Takaya zadacha sovershenno nerazreshima. Poetomu ostaetsya ogranichit'sya otyskaniem obshih svoistv zvezdnyh dvizhenii, primenyaya metody statisticheskoi fiziki. Pri etom zvezdy rassmatrivayutsya kak material'nye tochki, sostavlyayushie "zvezdnyi gaz". V otlichie ot ob'ema obychnogo gaza, u zvezdnoi sistemy net tverdyh stenok i opredelennyh granic. Pri etom dispersiya skorostei zvezd igraet rol' mery obychnoi temperatury gaza.

Poskol'ku sila tyagoteniya medlenno ubyvaet s rasstoyaniem, to pri raschete potencial'noi energii nekotorogo ob'ema zvezdnoi sistemy nado uchityvat' ne tol'ko energiyu gravitacionnogo vzaimodeistviya zvezd vnutri ob'ema, no i gravitacionnoe vzaimodeistvie drugih chastei sistemy s etim ob'emom.

Tak kak zvezdy ochen' redko raspolozheny v prostranstve Galaktiki, to tesnye sblizheniya mezhdu nimi, vyzyvayushie bol'shie izmeneniya ih dvizheniya, proishodyat ochen' redko, poetomu dlina svobodnogo probega zvezdy v Galaktike vo mnogo raz prevoshodit razmery Galaktiki. Sledovatel'no, "zvezdnyi gaz" mozhno rassmatrivat' kak gaz nevzaimodeistvuyushih chastic. Meroi, pozvolyayushei kolichestvenno vyrazit' slabost' vliyaniya vzaimodeistvii mezhdu zvezdami na dinamicheskie svoistva Galaktiki, yavlyaetsya malost' irregulyarnyh sil po sravneniyu s regulyarnymi. Ocenit' otnoshenie deistvennosti dvuh tipov sil mozhno sleduyushim obrazom.

Primem, dlya prostoty, rassmatrivaemuyu zvezdnuyu sistemu sfericheski simmetrichnoi. Sila tyagoteniya na edinicu massy v tochke, nahodyasheisya vnutri sistemy radiusa R na rasstoyanii r ot ee centra, est' gde N est' chislo zvezd v sisteme, - srednee znachenie zvezdnoi massy (mozhno schitat', chto vse zvezdy sistemy imeyut odinakovye massy). Prityazhenie edinichnoi massy blizhaishim telom, nahodyashimsya na rasstoyanii r₁ ot nee, est': Priravnyav eti sily, my iz poluchivshegosya vyrazheniya mozhem naiti velichinu r₁ - radius sfery dlya dannoi zvezdy, na kotorom ravny regulyarnaya i irregulyarnaya sila. Poluchim: Ob'em sfery radiusa r₁ budet raven: Na odnu zvezdu sistemy v srednem prihoditsya ob'em 4/3πR³/N. Usrednim massy v skobke (15-4) i razdelim na ob'em, prihodyashiisya na odnu zvezdu. Eto privedet k vyrazheniyu, kotoroe daet dolyu ob'ema, v kotoroi ravny regulyarnye i irregulyarnye sily: gde ^3/2 - srednee znachenie massy zvezdy v stepeni 3/2. Chtoby izbavit'sya ot rasstoyaniya zvezdy do centra sistemy, usrednim etu velichinu po ob'emu sistemy, dlya chego voz'mem integral po r i razdelim na ob'em sistemy. Okonchatel'no poluchim dlya doli ob'ema, gde sushestvenny irregulyarnye sily: V Galaktike zvezdy v osnovnom imeyut ne namnogo razlichayushiesya massy, chto pokazyvaet rassmotrennaya nami nachal'naya funkciya mass. Chislo zvezd N v Galaktike ochen' veliko, a vtoraya drob' v (15-6) blizka k edinice. Poetomu dolya ob'ema, gde vazhno uchityvat' deistvie irregulyarnyh sil, kraine mala. V itoge v zvezdnom diske Galaktiki nablyudaetsya paradoks: s odnoi storony, kak sleduet iz lekcii 9, u zvezd diska nablyudaetsya ellipsoidal'noe raspredelenie skorostei, chto svidetel'stvuet o sushestvennosti relaksacionnyh processov, togda kak s drugoi - vremya svobodnogo probega chastic besstolknivitel'nogo zvezdnogo gaza okazyvaetsya bol'she vremeni zhizni samoi Galaktiki.Eto oznachaet, chto zvezdno-zvezdnye sblizheniya v zvezdnom gaze neeffektivny.

Eto sootnoshenie moglo by izmenit'sya, esli by gigantskie molekulyarnye oblaka sostavlyali zametnuyu dolyu massy Galaktiki, no, kak my videli, eto ne tak - polnyi vklad vsei mezhzvezdnoi sredy v massu diska ne prevoshodit 5-10%. Kak seichas polagaetsya, osnovnymi ob'ektami, privodyashimi k relaksacii sredi zvezd tonkogo diska, yavlyayutsya vozmusheniya gravitacionnogo potenciala, vyzvannye spiral'nymi volnami plotnosti. V dannom sluchae, nesmotrya na maloe kolichestvo spiral'nyh vetvei, ih vysokaya, otnositel'no zvezd, massa i ih posledovatel'noe vzaimodeistvie prakticheski so vsemi zvezdami diska obshei massy mezhzvezdnoi sredy okazyvaetsya vpolne dostatochno.

Iz statisticheskoi fiziki izvestno, chto polnost'yu oharakterizovat' sistemu material'nyh tel mozhno s pomosh'yu funkcii fazovoi plotnosti, kotoraya opredelyaetsya, kak raspredelenie veroyatnosti naiti tochku v elemente fazovogo ob'ema dxdydzdudvdw. Zvezdnaya sistema nazyvaetsya stacionarnoi, esli ee funkciya fazovoi plotnosti ne zavisit yavno ot vremeni. Chasto rassmatrivayut zvezdnye sistemy v tak nazyvaemom kvazistacionarnom sostoyanii, kogda izmenenie sostoyaniya proishodit nastol'ko medlenno, chto sistema uspevaet do sleduyushego izmeneniya priblizitsya k stacionarnomu sostoyaniyu, tak chto evolyuciya sistemy yavlyaetsya plavnym perehodom ot odnogo stacionarnogo sostoyaniya k drugomu.

Publikacii s klyuchevymi slovami: zvezdnaya astronomiya Publikacii so slovami: zvezdnaya astronomiya
Sm. takzhe: Elene Vyacheslavovne Glushkovoi - 50 ! Konferenciya «Sovremennaya zvezdnaya astronomiya - 2014» Konferenciya "Sovremennaya zvezdnaya astronomiya" K 100-letiyu so dnya rozhdeniya Petra Grigor'evicha Kulikovskogo Lekcii po Galakticheskoi Astronomii. 5–8 Lekcii po Galakticheskoi Astronomii. 3–4 Lekcii po Galakticheskoi Astronomii. 1–2 Vse publikacii na tu zhe temu >>