Введение к работе
Актуальность темы. Одна из интереснейших п до сих пор нере-пенных проблем современного естествознания — природа механизма генерации спиральной структуры галактик. В настоящее время :уществуют две основные концепции образования спиральных рука-юв — гравитационная и гидродинамическая. Гравитационная концепция была предложена Лпндбладом [1] и в дальнейшем развита Лп-іем с соавторами [2, 3, 4]. Основная ее идея заключается в том, что :пиральные рукава отождествляются с волнами плотности звездного 'газа". В гравитационной концепции волн плотности газу отводится іспомогательная роль: он лишь "откликается" на спиральное гра-штационное возмущение плотности, возникающее первоначально в шездной компоненте. Основная трудность гравитационной концепцій волн плотности заключается в том, что звездный диск в силу >тсутствия диссипации должен постоянно "нагреваться", и сппраль-іая структура, как показали численные эксперименты [5, 6], даже !сли она присутствовала в начале, должна исчезнуть. Основой для фепебреженпя физической ролью газа являлся малый процент газа ю отношению к массе всей галактики. Однако в теории волн плотно-:ти неплоские компоненты, определяя, в основном, кривую вращения [исков, не участвуют сами в динамической эволюции спиральных возмущений. Таким образом, динамическая роль газа определяется пробитом его относительной массы по отношению плоской подсистемы. Эта сравнительно небольшая величина, 15-20, имея ~5 раз меньшую дисперсию скоростей, нежели звездный диск, оказывается не ?олько наиболее неустойчивой, по и имеет большую величину возмущенной поверхностной плотности, нежели звездная компонента. Это іпачнт, что возмущенный гравитационный потенциал определяется,
' « г
і основном, газовой компонентой [7]. Гидродинамическая концепция іьша. предложена Фридманом (см. [8] и цитированную там литера-
туру) п в дальнейшем развита в работах Морооова[9, 10] Фрпдмада [8, 7,11], Бертіша и Лпна [12,13] п др. Основная ее идея заключаете; в том, что спиральные рукава отождествляются с волнами в газовое подсистеме галактпкп, возникающими в результате гидродинамических .неустойчнвостей. В гидродинамической концепщш гаоу отводится центральное место в образовании спиральных структур. Ролі звездного диска в гидродинамической теории заключается лишь л поддержании равновесия газового диска: распределение массы звезд-поп компоненты задает наблюдаемый профиль скорости вращения в гаоовом диске. Поскольку в газовом диске существует диссипация, то можно предположить, что в газовом диске волны плотностп могут существовать достаточно долго, в отлпчие от звездного диска.
Поскольку, как уже упоминалось выше, дисперсия скоростей в гаоовом диске галактики меньше дисперсии скоростей в звездном диске, то можно ожидать, что первый является более неустойчивым, а значит, что спиральные волны плотпостп возникают именно в газоном диске. Исследования Плоскопаралельных сверхзвуковых течений показали, что в них могут развиваться различные виды гидродинамических неустопчпвостей. На основании этого можно предположить, что различные внды.неустойчивостеи могут возникать и в газовых дисках галактик; ото может объяснить многообразие наблюдаемых спиральных узоров. Все это определяет актуальность изучения гидродинамических неустойчппостей в газовом дифференциально-вращающемся диске галактпкп.
Одновременно со спиральной структурой (в распределении поверхностной плотностп) п волпе вблизп радиуса коротацин должна вооппкать и вихревая структура (в поведении скоростей в газе) [14]. Первая попытка поиска впхровых антнциклонпчеекпх структур, предпринятая советско-французской группой наблюдателей с помощью 6-тп метрового теліи/копа САО, увенчалась успехом: были от-
крыты гигантские антициклоны между спиральными рукавами галактики Маркаряп 1040 [15, 16, 17]. В работе [18] было предскаоано существование аналогичных антпцпклонов вблизи солнечного круга в нашей Галактике.
Исходя из всего вышесказанного, представляется актуальным попек п изучение новых гидродинамических неустойчнвостей в газовых дпеках галактик п сравнение структур, генерируемыми этпмп веустойчивостями, с наблюдаемыми структурами с целью определения природы последних. Поскольку другие галактики удалены от нас на большие расстояния, то наибольший интерес вызывает исследование именно нашей Галактики, для которой мы можем получить значительно больше информации о структурах в газовом диске.
Целью работы является развитие гидродинамической концепции генерации спиральной структуры галактики на основе изучения новых гидродинамических неустойчпвостей в гал'актпчеекпх дисках и сравнения спирально-вихревых структур, генерируемых этими не-устопчшюстямп, с наблюдаемыми в газовом диске нашей Галактпки.
Основные научные результаты.
найдены новые механизмы неустойчивости сверх-отражения, готорые могут приводить к образованию спиральных волн плотности з газовом диске нашей Галактики;
используя наблюдательные данные о кинематике п морфологии центральной области Галактики, в частности, "мшш-спиралп" з ионизованном газовом диске, построена динамическая модель последней, центра Галактпки и дано ограничение сверху на массу пред-юлагаемой черной дыры;
показано, что наблюдаемый скачок угловой скорости вращения газового диска вблизи солнечной окрестности может приводить с образованию четырех-рукавноп спиральной волны плотности с на-элюдаемым углом закрутки во внешней области Галактики. Радиус
коротащш такого спирального узора приблизительно равен галакто центрическому радиусу Солнца, вблизи этого радиуса должны суще ствовать гигантские антициклоны;
— показано, что существование антициклона в области солнеч
нон окрестности может объяснить все основные паблюдаемые осо
бешюстп ноля скоростей газовых облаков. Таким образом, наш
Солнце, возможно, находится внутри одиого из таких гигантских ап
тпцикионов.
Научная новизна.
предложены повые механизмы развития гидродинамически: неустопчпвостей, которые могут приводить к генерации спирально вихревой структуры в газовых дисках галактик;
на основании гидродинамической теории образования спи ральных волн плотности предложен новый метод, позволяющий Н( данным о морфологии н кинематики наблюдаемых спиральных ру капов определить их параметры: радиус коротаний, угловую ско рость вращения; используя этот метод определены параметры мини спирали в центре Галактики: радиус коротацпи, угловая скорост] вращения, а также'угол наклона н положение наибольшей оси плос кости газового диска, и котором находится мшш-сшіраль, центр вра щешія, Кривая вращения газового диска оа радиусом коротацші і верхнее значение массы черпой дыры в центре Галактики;
впервые показано, что положепие гигантских антициклонов і спиральных галактиках относительно спиральных рукавов оавнет от того, какие возмущенные (относительно равновесного состояния силы доминируют в районе их генерации: гидродинамические сплы силы сампграинтащш или внешние силы; в зависимости or этого цен тры вихрей могут находится либо па еппра.тьных рукавах плотности либо между ними или же их положенії'- может быть смещено относи теш.но максимума или минимума плотности;
— впервые достроена модель поля скоростей газовых облаков в
дпске Галактшсп вблпзп Солнца, учитывающая систематические от
клонения от кругового движения, вызванные волной плотности; из
наблюдений определены параметры этой моделп, показано, что эта
модель описывает все основные особенности наблюдаемого поля ско
ростей, что подтверждает гипотезу Фридмана [18] о существовании
антпцшслонических вихрей в окрестности солнечного круга.
Научная и практическая ценность.
метод, предложенный для построения динамической модели центра нашей Галактики, может быть использован для решения аналогичных задач, касающихся других галактик;
найденное поле скоростей газовых облаков d окрестности Солнца может быть использовано для определения расстояния до газовых облаков, для которых известны лишь радиальные скорости по лучу зрения;
найдена радиальная скорость локальной системы покоя и показано, какпм образом радпус коротацпи наблюдаемого сппрального узора зависит от этой величины; получено значение радиуса коротацпи наблюдаемого спирального узора, который оказался приблизительно равным галактоцентрпческому радиусу Солнца;
предложенный способ восстановления двумерного поля скоростей в газовом дпске нашей Галактике по наблюдаемой скорости облаков вдоль луча зрения может быть использован п для восстановления поля скоростей в других спиральных галактиках;
предложен способ, позволяющий по положению центра гигантского антициклона относительно спиральных рукавов газового галактического диска и кривой его вращения определить, какая по сил вызывает генерацию спиральных рукавов: гидродинамическая, гравитационная пли внешняя.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались на
- 8 - '
международной конференции "Mathematical Methods in Studying the Structure and Dynamics of Gravitating Systems", проходившей в Петрозаводске (Россия, июнь 1993)
международной конференции " Galactic and Solar System Optical Astrometry", проходившей в Кембридже (Великобритания, пюпь 1993)
международной конференции "Physics of the Gaseous and Stellar Disks of the Galaxy", проходившей в CAO (Россия, сентябрь 1993)
XXII генеральной ассамблеи MAC, проходившей в Гааге (Нидерланды, август 1994)
Нобелевском симпозиуме No.98 "Barred Galaxies and Circum-nuclear Activity", проходившем в Зальцебаден (Швеция, декабрь 1995)
Положения выносимые на защиту: . .. — новые гидродинамические механизмы генерации волн шютно-. стп н газовых дисках галактик;
динамическая модель центра Галактики;
модель гигантского антициклона, локализованного в солнечной окрестности.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержит 49 рисунков, три таблицы, бнблпографшо по 160 наименований. Общий объем 177 страниц.