Введение к работе
Актуальность темы. Многие астрофизические явления связаны с нелинейными коллективными процессами в гравитирующих системах. Среди них особое место занимают вращающиеся диски, являющиеся моделью большого числа астрономических объектов. Это — протопланетные и аккреционные диски, диски вокруг планет, плоские подсистемы нормальных галактик. Именно с дисковой подсистемой галактики связана ее спиральная структура.
Среди разнообразных подходов к объяснению спиральной структуры галактик [tj наибольших успехов достигла волновая теория Лина и Шу (2-7], согласно которой спиральные рукава суть гигантские линейные спиральные волны плотности - неустойчивые моды возмущений дисков галактик, при прохождении через которых в газовой компоненте образуется об\асть сжатия и инициируется звездообразование.
Узкие поперечные сечения рукавов естественным образом объясняются в рамках модальной теории [8-10), где возможно возникновение и интерференция различных мод. Взаимодействие между модами в звездном диске, прнадлежащими разным спиральным узорам, исследовано в работе [ 11 ).
Агьтернативной предложенному в [8) квазистационарному спиральному узору является картина черед) ющихся короткоживуїцих спиралей составляющих глобальный узор. При таком подходе необходим механизм охлаждения диска [12-14].
Одним из наиболее распространенных и интенсивно изучаемых подходов является механизм раскачки глобального спирального узора центральной перемычкой — баром (15-20). В качестве генератора спиралей в изолированных галактиках, не имеющих перемычек, предложена "пазовая неустойчивость", которая не проявляется в случае гладких функций распределения [21).
Гидродинамический механизм генерации спиралей для галактик с перепадом скорости на кривой вращения экспериментально
смоделирован в работе |22) на мелкой воде, которая имеет "сверхзвуковой" скачок скорости и испытывает центробежную неустойчивость, генерирующую спиральный узор.
Нелинейная теория возмущений гравитирующего вращающегося диска показала возможность самоорганизации стационарных огибающих туго закрученных спиральных возмущений диска в виде солитонов и периодических волн [23-25]. Эти результаты представляют большой интерес с точки зрения объяснения наблюдаемых спиральных структур галактик с одновременным решением проблемы возбуждения и поддержания спирального узора [26,27]. Д\я последних целей является возможным исследование нелинейных возмущений неустойчивых по Джинсу дисков (или дисков, некоторые области которых находятся в состоянии гравитационной неустойчивости), так как при этом источником возбуждения и поддержания спиральных возмущений является гравитационная неустойчивость.
Ареной других нелинейных волновых явлений представляется центральный быстровращающийся газовых диск с разнообразными радиально движущимися уплотнениями, явно связанными со взрывными процессами в ядре Галактики (28-33J. В работе [34\ поставлена цель определить параметры взрыва, способного привести к образованию "3 кпс" рукава и отмечены такие потенциальные трудности, как наличие необходимого количества энергии и массы в центре взрыва [35]. Проблема сосуществования центрального газового диска и "3 кпс" рукава в рамках взрывной модели особенно подчеркнута в работе [36]. В работе [37] неоднородности в центре Галактики рассматриваются в виде не.ишейных стационарных волн плотности, распространяющихся во вложенном легком газовом диске.
Исходя из вышеизложенного является весьма актуальным дальнейшие исследования в рамках нелинейной теории при возможно полном описании распространения взрывообразных импульсов в газовых дисках, а также д\я понимания механизмов, поддерживающих глобальные спирали в течение промежутка времени порядка 1010 лет.
Целью настоящей диссертационной работы является
аналитическое и численное исследование некоторых аспектов распространения нелинейных волн плотности во вращающихся газовых дисках, являющихся моделью широкого круга астрономических объектов.
Научная новизна и практическая ценность,
Предложен механизм преобразования флуктуации в гравитационно неустойчивых областях диска в глобальный спиральный узор.
Вычислено нелинейное взаимодействие между модами волн плотности в кубическом приближении, обеспечивающее поддержку спиральной структуры перекачкой энергии из неустойчивых по Джинсу областей.
Получено аналитическое описание регулярной спиральной структуры как для идеализированного диска с постоянными равновесными параметрами, так и д\я реальных моделей типа дисков галактик NGC289, М51, М81, UGC225«. XGC3883.
Выдвинута гипотеза о не чиненной волновой природе неоднородностей плотности центрального газового диска Галактики как результате взрывных процессов в ядре Галактики.
Изучена эволюция возмущений произвольной амплитуды, вызванных взрывополобным начальным импульсом в центре диска.
Обсуждены и применены разные численные методы и проведено ассимптотическое аналитическое исследование решений нелинейной системы гидродинамических уравнений, описывающих распространение осесимметричных импульсов плотности.
Научные положения, выносимые на защиту:
Нелинейное взаимодействие между модами, раскачивающимися в области гравитационной неустойчивости диска, приводит к образованию стационарной нелинейной спирачьной структуры.
Рукава глобального узора имеют тонкую структуру.
В рамках используемого ВКБ-пр'иближения возможен узор с произвольным наперед заданным углоч закручивания рукавов.
Амплитуда взрывоподобного импульса, распространяющегося из центра диска, убывает не медленнее, чем обратно пропорционально расстоянию до центра.
Слабые возмущения распространяются квази-стационарно со скоростью, мало отличающейся и стремящейся к звуковой.
Процесс распространения сильных возмущений, возбужденных взрывом в центре вращающегося диска, является суперпозицией двух противоположно распространяющихся волн, скорость распространения которых прямо пропорциональна радиальной компоненте локальной скорости газа.
Апробация работы
Полученные в диссертационной работе результаты обсуждены на семинарах кафедры общей физики ЕГУ и представлены на следующих международных конференциях:
-
"Structure and Evolution of Stellar Systems" (Санкт-Петербург, 1996);
-
"Dynamics of Gravitating Systems" (Умань, Украина, 1998);
-
"Activity in Galaxies and Related Phenomena" (БАО, 1998).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка цитированной литературы. Содержание работы изложено на 88 страницах машинописного текста, включая 24 рисунка и библиографию из 127 наименования.
