Астрономические доказательства струйного истечения

Струйное истечение как астрофизическое явление, присущее спиральным звездным системам, было теоретически обосновано Дж. Джинсом в 1929 году [29]. Как астрономический феномен оно было фактически открыто в нашей Галактике Я. Каптейном [30] на четверть века раньше. Однако задолго до того, в 1812 году, на некоторые его катастрофические для Земли геологические следствия обратил внимание Ж. Кювье [31].

Астрономически данное явление проявляется в наличии у спиральных галактик системы архимедовых ветвей. Согласно нашей интерпретации наблюдений В. Бааде [32] в галактике М 31 (рис. 2), эти ветви берут начало из отдельных «точек» ее быстро вращающегося газопылевого ядерного диска. Вещество архимедовых ветвей участвует лишь в радиальном истечении из диска с неизменной скоростью V_S = 300 км/с. Тогда как сам диск вращается с постоянной угловой скоростью w_о = 1.26´10^-7 лет [27].

Это обстоятельство позволяет рассматривать архимедовы ветви, характеризующиеся параметром закрученности r = V_S/w_о = 2.5 кпк/рад, как предсказанные Дж. Джинсом струйные потоки вещества, истекающие из центра спиральных галактик.

Рис. 2. Интерпретация спиральной структуры галактики М 31 на графике в полярных координатах [27]: точки S - правое крыло галактики, а точки N – левое крыло. Штриховой линией показан радиус ядерного диска галактики. I-IV – номера установленных нами архимедовых ветвей. Справа дано описание состава населения ветвей, принадлежащее В. Бааде[32].

В своем основании струйные потоки представлены темной газопылевой материей. Она по мере удаления от центра осветляется, и в ней происходят процессы газоконденсации и звездообразования. Эти процессы достигают максимума на удалении 5¸10 кпк от центра. Здесь потоки газопылевого вещества пересекают два спиральных логарифмических рукава, выявленных в М31 Х.Арпом (рис. 3).

Рис. 3. Система логарифмических ветвей М 31 по Х.Арпу [33]. Заштрихованы области свечения газа, которые Арп использовал для выявления спиральной структуры М 31

Ветвление архимедовых спиралей Бааде и логарифмических спиралей Арпа начинается в областях М 31, отвечающих разным максимумам тангенциальной скорости на кривой дифференциального вращения галактики (рис. 4).

 

Рис. 4. Кривая вращения М 31 [19]. Максимум слева вызван вращением ядерного диска; второй максимум, отвечающий началу ветвления логарифмических спиралей, а также глубокий минимум между максимумами обусловлен функцией распределением гравитационного потенциала галактики [1].

Логарифмические рукава вращаются вокруг центра галактики с более низкой угловой скоростью, чем у ядерного диска. Благодаря существующему в них электромагнитному полю, эти рукава частично захватывают и увлекают за собой ионизированную компоненту струйных потоков, накапливая в себе газопылевое вещество.

Места пересечения струйных потоков и логарифмических рукавов являются в галактиках областями наиболее интенсивного звездообразования. В процессе дифференциального вращения галактики эти области перемещаются по спиральным ветвям, определяя величину и знак градиентов возрастов молодых звезд. Рождающиеся звезды, однако, ведут себя по-разному. Одни образуются из газа и пыли рукавов, остаются в галактике, и, подобно нашему Солнцу, со временем приобретают самостоятельные круговые орбиты. Другие возникают из вещества струйных потоков и наследуют их скорость V_S. Эволюционируя и теряя яркость по экспоненциальному закону (рис. 5), эти звезды за время ~30 млн. лет навсегда покидают видимые пределы галактики.

Рис. 5. Число ассоциаций молодых ОВ звезд в отдельных кольцевых зонах в плоскости М 31 [34]. Далее 12-15 кпк от центра численность ОВ звезд уменьшается с расстоянием по вероятностному закону. Все эти ОВ- ассоциации принадлежат струйным потокам Бааде (см. рис.2). Параметр L соответствует их радиальному движению со скоростью V_S = 300 км/с [27].

Изложенные представления, реализующие идеи Дж. Джинса [29] и В. Бааде [32], положены в основу разработанной динамической модели спирального строения галактик [1]. Модель позволяет рассчитать продольный и поперечный градиенты возрастов молодых звезд в архимедовых и логарифмических ветвях, вычислить длину этих ветвей, а также объяснить ряд других наблюдаемых у спиральных галактик особенностей.

Некоторые результаты вычислений для галактики М31 приведены на рис. 6 [27]

 

Рис. 6. Расчетные значения градиентов молодых звезд (g), а также угловой (w) и радиальной (V) скоростей перемещения волны звездообразования в спиральных ветвях Арпа и Бааде как функция расстояния до центра М 31: 1, 2 - продольные градиенты возрастов звезд, соответственно, в спиралях Арпа и Бааде; 3, 4 - угловые скорости перемещения волны звездообразования в спиралях Арпа и Бааде; 5 - радиальная скорость движения волны звездообразования в спиралях Бааде и Арпа.

Расстояние от центра галактик R* = r/a, отвечающее равенству радиусов кривизны архимедовых и логарифмических ветвей, является выделенным. На данном расстоянии скорость перемещения точки звездообразования в ветвях обоих типов стремиться к бесконечности, что приводит к нулевым градиентам возрастов молодых звезд.

В волновой теории строения спиральных галактик [22, 28, 35] величину R* называют «радиусом коротации», а сам эффект объясняют совпадением скоростей вращения вещества галактического диска и бегущей по нему спиральной волны плотности. Такое объяснение, однако, спорно. Во-первых, у одной галактики может быть несколько радиусов R*, количество которых определяется числом ее логарифмических ветвей с индивидуальными параметрами a. И, во-вторых, наиболее интенсивное звездообразование идет не по всему краю логарифмических спиральных рукавов, а только на тех их участках, где они пересекается струйными потоками.

На примере М 31 и нашей звездной системы показано [1], что построенная модель объясняет все наблюдаемые эффекты, доступные интерпретации с позиций теории волн плотности [36], причем позволяет сделать это с большей полнотой и количественной точностью, не требуя введения каких-либо дополнительных предположений.

Модель изотермической сферы

Из звездной динамики известно, что если дать возможность большой совокупности звезд под действием взаимного гравитационного притяжения принять устойчивую конфигурацию, они образуют сферу, состоящую из внутреннего изотермического ядра и внешнего более протяженного гало [37]. В границах изотермического ядра (кроме его центральной зоны) гравитационный потенциал системы U(R) постоянен и движение звезд по скоростям и направлениям носит максвелловский характер.

Далеко за пределами изотермического ядра системы – во внешнем гало, у звезд начинает преобладать радиальная компонента скорости, и наиболее быстрые из них покидают систему. Во внутренней области системы, где численность звезд достигает максимума, они могут испытывать частые взаимные сближения и разрушаться [38].

В самом центре изотермического ядра – в точке сингулярности, U(R) ¹ const, что может способствовать накоплению здесь газопылевого вещества распавшихся звезд и формированию из него молодых звезд или даже черной дыры.

В переходной области между изотермическим ядром и гало распределение гравитационного потенциала звездной системы может быть представлено разложением в асимптотический ряд

, где с_k – постоянные коэффициенты. (1)

Вследствие разрушения звезд в центре системы и утечки звезд из гало, изотермическая сфера галактик физически неустойчива. Со временем общее количество звезд в системе уменьшается, а ее изотермическое ядро сжимается, приводя к коллапсу системы. В ходе эволюции звездных скоплений квазиравновесное состояние их изотермической сферы сохраняется, а темп утечки звезд не меняется [39].

Такая модель, получившая название модели звездной изотермической сферы, широко используется в астрономии при описании строения и свойств шаровых звездных скоплений [37, 39]. Однако для объяснения природы галактик эта модель, до открытия явления струйного истечения, не находила применения. Смущало три обстоятельства.

Во-первых, наблюдаемое распределение ярких звезд в эллиптических и особенно в спиральных галактиках не сферично. Во-вторых, вследствие интенсивного разрушения звезд в ядре, здесь может возникнуть «черная дыра», которая резко сократит время коллапса. И, наконец, третья причина связана с тем, что системы с массой галактик достигают равновесия за время, превышающее общепринятый возраст Вселенной.

Явление струйного истечения позволяет выйти из этого трудного положения.