17.2 Spiral'nye vetvi kak volny plotnosti
V nastoyashee vremya gospodstvuet tochka zreniya, chto vidimaya spiral'naya struktura est' sledstvie begushei po disku volny plotnosti. Volnovaya teoriya spiral'noi struktury na protyazhenii mnogih let razvivalas' Lindbladom. Emu prinadlezhit i sama ideya o spiral'nyh volnah plotnosti v Galaktike. Odnako eti raboty ne poluchili shirokogo priznaniya iz-za slozhnogo postroeniya teorii, razrabotannoi v terminah orbit zvezd, i postulate o lidiruyushih spiralyah, kotoryi protivorechil obsheprinyatomu mneniyu.
Novyi etap v razvitii teorii spiral'noi struktury svyazan s rabotami Lina i Shu v 1964 g. Eta teoriya osnovana na tom, chto nablyudaemye spiral'nye vetvi yavlyayutsya rezul'tatom tverdotel'nogo vrasheniya spiral'nyh voln plotnosti - voln tyazhelogo zvuka, rasprostranyayushihsya v tonkom differencial'no vrashayushemsya diske Galaktiki, sostoyashem iz zvezd i gaza. Lin i Shu schitali, chto v pervom priblizhenii spiral'nye volny plotnosti mozhno rassmatrivat' kak malye vozmusheniya osnovnogo osesimmetrichnogo sostoyaniya galakticheskogo diska. Tak kak dispersiya skorostei zvezd v diske mala po sravneniyu so skorost'yu vrasheniya diska, to oni poschitali vozmozhnym vospol'zovat'sya uravneniyami besstolknovitel'noi zvezdnoi gidrodinamiki. Nalozhiv na osesimmetrichnye poverhnostnuyu plotnost' i gravitacionnyi potencial diska malye garmonicheskie vozmusheniya
|
i podstaviv eti vyrazheniya v uravneniya gidrodinamiki, zapisannye dlya besstolknovitel'nogo zvezdnogo gaza, Lin i Shu poluchili sootvetstvuyushee dispersionnoe sootnoshenie dlya voln plotnosti, dokazav, chto spiralevidnye volny plotnosti deistvitel'no mogut sushestvovat' v beskonechno tonkom differencial'no vrashayushemsya zvezdnom diske. V vyrazhenii (17-2) znacheniya gravitacionnogo potenciala berutsya v galakticheskoi ploskosti, m - celoe chislo i ravno chislu rukavov, a chastota voln plotnosti v obshem sluchae kompleksna:
(zdes' real'nuyu chast' my oboznachili ω, a mnimuyu - γ). V etom sluchae eksponentu v vyrazheniyah (17-2) mozhno zapisat' v vide:
gde Ω
p - uglovaya skorost' volnovogo uzora. Iz (17-4) vidno, chto vozmusheniya neustoichivy pri γ > 0, zatuhayut pri γ < 0 i neitral'ny (dolgo sushestvuyut) pri γ = 0. Pri etom spiral'nyi uzor dvizhetsya (vrashaetsya) v diske tverdotel'no, to est' Ω
p . Sama postoyannaya γ opredelyaetsya cherez dispersiyu ostatochnyh skorostei. Pri etom esli dispersiya ostatochnyh skorostei velika, to lyubaya koncentraciya zvezd bystro rassasyvaetsya i volna plotnosti sushestvovat' ne mozhet. Esli zhe dispersiya skorostei ochen' mala, to sila tyagoteniya zastavit poyavivsheesya uplotnenie szhimat'sya i galakticheskii disk raspadetsya na fragmenty. Ustoichivost' tonkogo galakticheskogo diska otnositel'no vozmushenii v 1964 g. issledoval Tumre, kotoryi pokazal, chto neustoichivost' mozhet razvivat'sya lish' v dovol'no goryachem zvezdnom diske, v kotorom skorost' zvuka prevyshaet kriticheskuyu, inache sluchainye skorosti zvezd
spiral'nyi uzor.
Lin i Shu vyveli uslovie dlya oblasti diska, v kotoroi mogut sushestvovat' volny plotnosti:
gde Ω(R) est' uglovaya skorost' vrasheniya diska Galaktiki, a k(R) - epiciklicheskaya chastota. V teorii Lina i Shu dlya modeli Galaktiki Shmidta chastota vrasheniya spiral'nogo uzora okazalas' dlya nashei Galaktiki ravnoi 11 km/s•kpk, a spiral'nyi uzor - tugo zakruchennym. Tak kak chastota vrasheniya Galaktiki v bol'shei chasti diska prevyshaet chastotu vrasheniya spiral'nogo uzora, to spiral'naya volna, dvigayas' v storonu galakticheskogo vrasheniya, otstaet ot vrasheniya diska. Rasstoyaniya R, na kotoryh neravenstva v vyrazhenii (17-5) prevrashayutsya v ravenstva, nazyvayutsya oblastyami rezonansov Lindblada. Takim obrazom, spiral'nyi uzor rasprostranyaetsya tol'ko mezhdu vnutrennim i vneshnim lindbladovskimi rezonansami. V oblastyah rezonansov proishodit zatuhanie kolebanii gaza i zvezd. V vyrazhenii (17-5) vse velichiny mogut byt' opredeleny iz nablyudenii, tak chto opredelenie polozhenii rezonansov Lindblada i sravnenie ih s galaktocentricheskimi radiusami nachala i konca vidimyh spiral'nyh vetvei mozhet sluzhit' dlya nablyudatel'noi proverki sledstvii teorii voln plotnosti.
V 1972 godu Marochnik i Suchkov iz Rostovskogo universiteta pokazali, chto v diske Galaktiki bolee veroyatno rasprostranenie ne tak nazyvaemoi korotkovolnovoi mody, poluchennoi Linom i Shu, a dlinnovolnovoi, imeyushei skorost' vrasheniya spiral'nogo uzora okolo 21 km/s•kpk. Pri etom imi byl uchten vklad v dinamiku voln plotnosti ne tol'ko diskovoi, no i drugih podsistem Galaktiki. V etom sluchae poluchaetsya, chto Solnce raspolozheno vblizi oblasti korotacii. Eto sleduet iz togo, chto skorosti vrasheniya spiral'nogo uzora i skorost' vrasheniya diska na solnechnom galaktocentricheskom rasstoyanii v predelah oshibok sovpadayut (sm. 10.4). Vybor rezhima, real'no sushestvuyushego v Galaktike, dolzhny dat' nablyudeniya (sm. nizhe).
Vazhnym yavlyaetsya vopros o vozbuzhdenii voln plotnosti, tak kak nezatuhayushaya volna plotnosti dolzhna libo byt' stoyachei volnoi, energiya kotoroi ne dissipiruet, libo nado naiti mehanizm, "podkachivayushii" energiyu v volnu izvne. Odnako vopros o volne plotnosti, skoree vsego, ne yavlyaetsya aktual'nym, poskol'ku sushestvuet mnogo vozmozhnyh mehanizmov obrazovaniya (a ne podderzhaniya) spiral'nyh vetvei v galaktikah. Pohozhe, chto v diskovyh galaktikah s nalichiem gazovoi sostavlyayushei takie situacii voznikayut postoyanno, v itoge nablyudaemyi procent spiral'nyh galaktik stol' vysok.
Glavnuyu rol' v obrazovanii spiralei igraet holodnyi gazovyi komponent, poskol'ku on legko teryaet energiyu v rezul'tate vysvechivaniya i imenno iz nego obrazuyutsya molodye zvezdy, spiral'nye vetvi. Poetomu osobenno vazhnym okazalos' rassmotrenie otklika gazovoi sostavlyayushei diska na volnu plotnosti, dvizhushuyusya v zvezdnom diske. Spiral'naya volna plotnosti sozdaet potencial'nuyu yamu, s kotoroi vzaimodeistvuet natekayushii na volnu plotnosti gaz. Pri protekanii cherez volnu zvezdnoi plotnosti mezhzvezdnyi gaz, vrashayushiisya vmeste s diskom, uskoryaetsya v ee gravitacionnom pole. Pri etom voznikaet galakticheskaya udarnaya volna, geometriya fronta kotoroi blizka k forme volny plotnosti. Sistematicheskie dvizheniya, vyzyvaemye v gaze spiral'nym vozmusheniem gravitacionnogo potenciala, imeyut amplitudy poryadka 10 km/s. Adiabaticheskaya skorost' zvuka v gazovoi srede ocenivaetsya velichinoi c ≈ 0.103·T1/2 km/s, tak chto deistvitel'no, dvizheniya ne ochen' goryachego mezhzvezdnogo gaza yavlyayutsya sverhzvukovymi, chto vedet k obrazovaniyu udarnyh voln. Vsledstvie znachitel'nogo szhatiya gaza v galakticheskoi udarnoi volne, ona yavlyaetsya vazhnym spuskovym mehanizmom processa zvezdoobrazovaniya. Imenno etim ob'yasnyaetsya sosredotochenie molodyh i korotkozhivushih ob'ektov v spiral'nyh vetvyah.
