Новый взгляд на природу галактик

Наши исследования показывают [40], что учет выноса вещества разрушенных звезд из центра звездной системы струйными потоками делает физическую модель изотермической сферы вполне применимой и к объяснению спиральных галактик.

Только вот сами спиральные галактики оказываются иными. Это не плоские диски из звезд с большим или меньшим утолщением в центре, по которым бегут спиральные волны плотности [22]. А огромные квазисферические звездные системы, пребывающие в стадии повторного звездообразования. Состоят они главным образом из старых давно проэволюционировавших звезд, очень слабо проявляющих себя в излучении. Размер спиральных галактик не ограничивается их центральной зоной, в которой сосредоточены молодые яркие звезды, а простирается в десятки раз дальше этого расстояния.

Мало чем отличаются от них и галактики эллиптические. Поэтому все галактики (рис. 1) не зависимо от типа являются звездными формированиями одной природы. Это испытывающие эволюцию сферические системы, которые пребывают в состоянии динамического равновесия и различаются морфологией области интенсивного образования звезд. У эллиптических галактик звездообразование происходит в центре, у спиральных галактик в основном – в их ветвях.

По представлениям Дж. Джинса [18], эволюция галактик сопровождается их перемещением вдоль хаббловской последовательности типов в направлении от E к S вплоть до полного расформирования системы – стадия «неправильных» галактик [19]. Согласно нашим выводам [40], эти изменения, обусловлены уменьшением числа и общей массы звезд в изотермической сфере системы.

По мере перехода от эллиптических типов к спиральным масса галактик убывает, а угловой момент вращения растет (рис. 7).

Рис. 7. Диаграмма Х.Арпа [41]

На определенном этапе эволюции галактик (стадия S0) в их центре возникает газопылевой ядерный диск, и система из «эллиптической» трансформируется в «спиральную». Подразделение спиральных галактик на S- и SB-типы в нашей модели обусловлено наличием у них двух разных систем ветвей, образующих самостоятельные плоскости. Одна – архимедова, представлена истекающим из ядерного диска веществом, а вторая – логарифмическая, повторяющая конфигурацию галактического электромагнитного поля. Системы с малым углом между плоскостями относят к «нормальным» S-спиралям, а с большим – классифицируют как «пересеченные» SB-спирали.

На основе данных геологии автором изучалась скорость эволюции Галактики для последних 3.6 млрд. лет ее развития. Измерения показали, что все это время распределение звезд в Галактике оставалось равновесным, а темп их разрушения в галактическом ядре был постоянен и равен 8.8 масс Солнца в год [40]. Последний вывод хорошо согласуется с результатами современных астрономических наблюдений [42].

Эти данные позволяют заключить, что с момента образования Солнца (4.7 млрд. лет назад) в ядре Галактики переработана в пыль и газ масса звезд 4´10¹⁰ М_О, что привело к уменьшению центральной массы нашей звездной системы на ~15% отн.

Главный наш вывод состоит в том, что строение и эволюцию галактик определяют пять основных физических процессов: 1) «перемешивание» траекторий звезд в совокупном гравитационном поле (релаксация), 2) изотермическое сжатие центральной области (коллапс), 3) разрушение звезд в ядре с накоплением их продуктов распада в центральном диске (поглощение), 4) удаление газопылевого вещества из центра системы струйными потоками и 5) возникновение из газа и пыли при их распространении в галактической плоскости новых поколений звезд (звездообразование).

Соотношение характерных времен этих процессов в Галактике таково, что разрушение звезд и последующий вынос газа и пыли струйными потоками, с одной стороны, предохраняет систему от быстрого коллапса, а с другой – компенсируется другими звездами системы, которые стягиваются к ее ядру. Одновременно молодые звезды, рождающиеся в галактической плоскости, переходят в ядро и окружающий его балдж.

В спиральных галактиках это приводит к возрастной стратификации молодых звезд относительно галактической плоскости и придает распределению более старых звезд форму эллипсоида вращения. У наиболее старых звезд распределение становится полностью сферически симметричным без всякого намека на галактическую плоскость.

Тем самым, мы приходим к принципиальному заключению, что центры галактик являются своеобразным «молохом», перемалывающим звезды в газ и пыль. Причем не только перемалывающим, но и созидающим вместо них новые поколения звезд. Выбрасывая их вместе с газопылевой материей в межгалактическое пространство, галактики тем самым «омолаживают» Вселенную, поддерживая в ней постоянный круговорот вещества.

Данный вывод, а также другие свойства галактик [19, 22, 41, 43], по мнению автора, гораздо лучше укладываются в представления, согласно которым галактики – это спонтанно образующиеся и распадающиеся сгущения звезд и газа, неравномерно заполняющих доступную нашему изучению область Вселенной.

Спиральная модель Галактики

Из-за неполноты наблюдательной астрономической информации и низкой ее точности вопрос о спиральном строении нашей звездной системы у астрономов пока еще очень далек от своего разрешения [43, 44, 45].

Построенная нами с привлечением данных геологии спиральная модель Галактики [46], отвечающая изложенным представлениям, приведена на рис. 8. В отличие от М31 наша Галактика имеет четыре логарифмические ветви и лишь два струйных потока.

Потоки выходят из диаметральных точек ядерного газопылевого диска Галактики, который наклонен на угол»22° [43] к плоскости логарифмических рукавов и испытывает прецессию с периодом 40-50 млн. лет, близким вращению диска [1]. Логарифмические рукава, как и в М 31 (см. рис. 3), начинаются из кольцевой зоны на удалении 4-х кпк от центра, определяющей радиус изотермического ядра системы.

Рис. 8. Спиральная конструкция Галактики. Римские цифры – номера логарифмических рукавов (сплошные линии), арабские цифры – номера струйных потоков (пунктирные линии). Г.ц. – галактический центр. Стрелки указывают направление движения.

В силу современного положения Солнца в Галактике, из двух ее струйных потоков реально наблюдается только один, отождествляемый с ветвью Ориона-Лебедя (рис. 9).

Рис. 9. Местная система звезд Галактики [36] с нанесенными на нее с рис. 8 положениями логарифмических ветвей (сплошные линии) и струйного потока (пунктир). Звездочка в кружке – положение Солнца.

Эту ветвь, на внутренний край которой проецируется Солнце, сегодня ошибочно считают ответвлением рукава Киля-Стрельца [22, 43, 45]. По составу звезд, углу закрученности спирали и наклону к галактической плоскости она заметно отличается [22, 43] от рукавов Киля-Стрельца и Персея.

Солнце не принадлежит струйному потоку Ориона-Лебедя, а движется в Галактике по самостоятельной, медленно эволюционирующей орбите [46].

Одним из центральных вопросов, решавшихся автором при построении данной модели, явился выбор расстояния Солнца от центра Галактики. На протяжении последних 50 лет это расстояние в астрономии неоднократно пересматривалось. Так, если в 1950-ых годах наиболее достоверным считалось значение R₀ = 7.2 кпк, то к 1980-ым оно возросло до 10.0±1.0 кпк [22]. Но затем наступил период снижения этой величины, и сегодня оно вернулось к значению 7.1 кпк [45] пятидесятилетней давности.

Полагая на основании работы [26] (см. табл. 1), что степень закрученности архимедовых ветвей у спиральных галактик одинакова, параметр r струйных потоков Галактики был принят таким же, как в М 31. Это приводит к величине R₀ = 10 кпк [46].

Орбита Солнца в Галактике

Первое исследование движения Солнца в Галактике принадлежит П.П. Паренаго [16]. В результате своих расчетов Паренаго нашел, что орбита Солнца близка круговой, а его сидерический, аномалистический и драконический периоды движения составляют 212, 176 и 85 млн. лет, соответственно. Более поздние исследования [8, 12, 47] привели к иным значениям параметров солнечной орбиты. Расчеты показали, что решение данной задачи сильно зависит от использованной модели гравитационного потенциала Галактики и принятого значения R₀ солнечной орбиты.

В отличие от работ других авторов, наши расчеты выполнены для модели Галактики в виде звездной изотермической сферы. Функция распределения гравитационного потенциала задавалась формулой (1), коэффициенты которой определялись при оптимизации вычисленной орбиты Солнца по астрономическим и геологическим данным.

Астрономическим тестом служило соответствие [48] рассчитанных взаимных движений Солнца, звезд струйного потока Ориона-Лебедя и ветвей Персея и Киля-Стрель-ца (см. рис. 9) координатам 1 и 2 вертексов Я. Каптейна [49]. Геологическим тестом, на первом этапе, являлось согласие времен попадания Солнца в струйные потоки Галактики [50, 51] с границами стратонов геохронологических шкал фанерозоя [52] и венда [53], а на втором этапе – совпадение времен попадания Солнца также в спиральные галактические рукава [54] с эпохами массового вымирания на Земле живых существ [55].

Согласно построенной модели, Солнце возникло в одном из четырех рукавов Галактики на удалении ~8 кпк от галактического центра. После конденсации оно обрело почти круговую орбиту, лежащую в галактической плоскости, в которой движется и сегодня. В результате многократных взаимодействий Солнца с другими звездами Галактики его орбита к настоящему времени приобрела и заметный эксцентриситет.

В результате оптимизации найдено [1], что современная солнечная орбита имеет форму эллипса с большой полуосью 10.17 кпк и эксцентриситетом 0.36, медленно поворачивающимся в направлении движения Солнца с угловой скоростью 3.04´10^-9 лет^-1. Сидерический и аномалистический периоды Солнца составляют 223 млн. лет и 250 млн. лет. Одновременно Солнце совершает небольшие колебания поперек галактической плоскости. Эти колебания характеризуются драконическим периодом ~40-50 млн. лет, близким к периоду вращения ядерного диска, и имеют амплитуду ~50 пк.

В настоящий момент времени Солнце движется со скоростью 253.5 км/с и ускорением +3.2 км/с в млн. лет к перигалактической точке орбиты.

Вследствие эволюции Галактики период движения Солнца и средний радиус его орбиты со временем растут, а его средняя орбитальная скорость падает. Темп этих изменений составлял: = 3.03´10^-7 пк/год и = -7.47´10^-4 см/с в год [1]. Так что в прошлом радиус орбиты и период движения Солнца в Галактике были меньше, чем сегодня.