Geum.ru

Виконав

Вид материалаРеферат

Содержание


Усіма можливими методами.
Подобный материал:
Міністерство освіти і науки України


Реферат на тему:

Спіральна структура галактики


Виконав: ______________________________________________


Перевірив:

______________________________________________


Івано-Франківськ

2010р.

Як вже згадано, у 1852 р. Стівен Александер висловив припущен­ня, за яким наша Галактика є системою спіральних віток, що вихо­дять з центра, в якому розташоване Сонце. Проблема ця привернула увагу дослідників знову вже після того, як було з'ясовано справжню природу «спіральних туманностей».

«все пізнається в порівнянні». Чи не першим, хто зважився ви­словити певні міркування щодо механізму формування спіральних віток галактик, був Дж. Джине (1928 р.): «Кожна невдача при спро­бах зрозуміти походження спіральних віток робить все більш і більш важкою справу протистояти підозрінню, що в спіральних туман­ностях діють зовсім невідомі нам сили, які, можливо, відображають нові і несподівані метричні властивості простору. Припущення, яке настирливо виникає, полягає в тому, що центри туманностей мають властивість «сингулярних точок». У цих точках матерія втікає у наш світ з якогось іншого і зовсім стороннього простору. Завдяки цьому мешканцеві нашого світу сингулярні точки здаються місцями, де безперервно породжується матерія».

У 1951 р. американські астрономи У. У. Морган, С. Шарплес і Д. Остерброк, досліджуючи відстані до ОВ-зір з розсіяних зоряних скупчень, виявили, що ці зорі в межах 2...З кпк від Сонця утворюють три вузькі смуги, які можна розглядати як частини спіральних рукавів. Цей висновок підтверджений співробітницею Кримської астрофізичної обсерваторії Вірою Газе при вивченні розподілу ;місійних водневих хмар.

У тому ж, 1951 р., X. Івен та Е. Парселл, виявивши передбачене її 944р. X. ван деХюлстом радіовипромінювання нейтрального водню Іа довжині хвилі 21 см, розпочали вивчення розміщення водневих ;мар у Галактиці. Через рік, у 1952 р., в Лейдені X. ван деХюлст, С. А. Мюллер і Я. Оорт, а в 1957 р. в Сіднеї П. Керр, Г. В. Хіндман Р. Стар-Карпентер здійснили детальне дослідження цього розподілу Іейтрального водню в Галактиці. У1958 р. Я. Оорт, П. Керр і Г. Вес--ерхаут здійснили теоретичне узагальнення, що в цілому підтвердило явлення про спіральну структуру Галактики, хоча відносні похибки три визначенні параметрів були ще досить значними.

І, оглядаючись назад, доречно нагадати собі найпесимістичніші шсловлювання декількох провідних у цій галузі спеціалістів. Так, ІІеплі у 1920 р. заявив: «За нашим уявленнями, Галактика, рухаю-шсь, з часом захоплює другорядні зовнішні системи, поступово юзчленяючи їх і поглинаючи... Галактика розглядається не як єдина лііральна туманність, а скоріше як сукупність багатьох «напівпере-їарених» хмар і скупчень, що рухаються у протяжному шарі зір і алактичних туманностей». У 1930 р. він же написав: «Наша галак-гична система, як уявляється тепер, не є ні спіраллю, подібною до гуманності Андромеди (М 31), ні окремою дисковидною зоряною системою, аналогічною до Магелланової Хмари великого масштабу; найшвидше вона є надгалактикою - сплюснутою системою типових галактик. Таким чином, за масою і заселеністю галактичну систему слід порівнювати зі скупченням яскравих галактик у сузір'ях Волосся Вероніки - Діва, а не з окремими його членами. Наша Місцева система - зоряна хмара діаметром у декілька тисяч світлових років -уявляється галактикою, аналогічною Магеллановим Хмарам або типічній позагалактичній туманності».

Однак Б.Бок у 1986 р. вже зміг написати дещо конкретніше: «...при складанні огляду наших сучасних знань про розподіл зір у просторі ми змушені визнати, що наші знання навіть про найзагальніші риси галактичної структури дуже убогі.., ексцентричне положення Сонця у галактичній системі - ось єдиний надійно встановлений факт, що стосується структури нашої Галактики... Модель Шеплі... була

цілком задовільною в минулі 20 років. Тепер настав час зробити наступний крок і розглянути детальнішу робочу модель. Деякі астро­номи підкреслювали імовірну подібність структурних деталей галак­тичної системи і деяких великих спіральних туманностей. Сіре поклав, що наша зоряна система цілком може мати структуру, анало­гічну структурі відомої спіральної туманності М 33 у Трикутнику. Наше Сонце розташовувалося б тоді в одному із спіральних вузлів на відстані від центра, рівній двом третинам радіуса туманності... Спостерігач у тропіках легко погодився б прийняти за робочу модель Молочного Шляху систему з віддаленим центром у Стрільці, в якій спіральна вітка проходить від Кіля через Сонце до Лебедя».

Таки мав рацію А. Еддінгтон, зважившись у 1914р. запропону­вати схематичне зображення Молочного Шляху як справді спіраль­ної системи!

Усіма можливими методами. Як згадано, перші зусилля з'ясу­вати наявність спіральної структури в Галактиці здійснено за визна­ченням положень у ній ОВ-зір, а особливо хмар неіонізованого водню, оскільки в радіодіапазоні видно практично всю Галактику. Невдовзі було зроблено висновок, що для цієї ж мети можна вико­ристати й інші об'єкти - надгіганти, зони НII, цефеїди, молоді роз­сіяні скупчення, пульсари, джерела інфрачервоного, синхротронного і гамма-випромінювання. Ці два останні отримали навіть назву спіральних індикаторів. Важливими виявилися також дослідження поля швидкостей зір - «динамічних» індикаторів спіральної структури.

Картину розподілу зон НII в Галактиці вперше у 1976 р. побуду­вали І. М. Жоржелен та І. П. Жоржелен. Спочатку зроблено висновок, що вона узгоджується з припущенням про наявність у Галактиці чотирьох спіралей. Згодом, однак, з'ясовано, що насправді ці спо­стереження дуже непогано вкладаються саме на дворукавну спіраль.

Упродовж тривалого часу існувала розбіжність між розподілом нейтрального водню (Н І) за даними радіоспостережень і картиною, отриманою за ОВ-зорями, оскільки ці перші не виявляли вітки Оріо­на і мали менший кут закрутки (6...8° проти 20...25°) для оптичних віток. Згодом встановлено, що вітка Оріона не виявляється і при спо­стереженнях гігантських зон Н II та іншими методами. І лише на­прикінці 70-х років зроблено висновок, що вітка Оріона є лише ло­кальним ущільненням молодих зір між двома спіральними вітками.

У 1981 р. А. дель Ромеро і X. Гомес-Гонсалес навели переконливі докази того, що пульсари концентруються до спіральних рукавів. Виявлено чітку кореляцію між просторовим положенням пульсарів і зон Н II, щодо концентрації яких у спіральних рукавах сумнівів немає. Щоправда, як зауважив у 1981 р. А. О. Сучков, у цілком виразні спіралі вкладаються далекі пульсари (при а> З кпк), які є найяскравішими і в середньому наймолодшими об'єктами, а отже, які не встигли істотно віддалитися від місця свого народження, тоді як при £< З кпк їхній розподіл є цілком хаотичним.

Свого часу, від праць Б. Міллса 1959 р., було докладено багато зусиль щодо використання довготного профілю радіовипромі­нювання диска Галактики для отримання кількісної і якісної інформації про спіральну структуру і двовимірний розподіл в ньому речовини. Цей досвід у 70-х роках було використано для «розгортання», деконволюції одновимірного розподілу за даними в інфрачервоному діапазоні, синхротронних і гамма-спостережень у двовимірну, в площині диска, картину.

Як з'ясувалося, у довготному профілі інфрачервоного випроміню­вання є піки, або сходинки, в окремих галактичних довготах (тобто є чітка кореляція з оптичним та з профілями інших діапазонів). Звідси зроблено висновок, що це випромінювання виявляє спіральну структуру Галактики, причому геометрія спіралей добре узгоджуєть­ся з геометрією газових спіральних віток. Певні розбіжності щодо інтерпретації близького ГЧ-випромінювання, як стверджує С. Хая-кава (1981 р., у співавторстві), обумовлене наявністю крім зір М-надгігантів, інших, поки що невідомих об'єктів чи процесів.

Чітку картину спіральної структури при відстанях від центра і Галактики & > 3,6 кпк після «розгортай» довготного профілю синхро-,, тронного випромінювання, виявив, зокрема, С. Філіпс (1981 р., , у співавторстві).

Аналогічно, таку ж картину отримано і на підставі зареєстрова­ного у 70-ті роки за допомогою супутників «8А5-2» і «СО5-В» високоенергійного гамма-випромінювання Галактики. Нарешті, така структура випливає і з аналізу поля швидкостей молодих зір з околиць Сонця. Однак, як виглядає, у спіральну хвилю групується відносно невелика частина усієї маси диска Галактики.

* теоретичні моделі. Одну з перших спроб з'ясувати, чому і як фор­муються спіралі галактик, здійснили у 1948 р. В. Гейзенберг і К. Ф. Вейцзекер, а згодом у 1953 р. С. Чандрасекар та Е. Фермі. За складеними у той час уявленнями, спіральна структура Галактики утворюється і підтримується великомасштабними магнітними поля­ми, що формують спіралі, в яких «зависають», зокрема, комплекси газових хмар. Невдовзі, однак, було з'ясовано, що напруженість поздовжнього магнітного поля (2...З мікрогауси) надто мала, щоб проявити цю орієнтуючу дію. Більш прийнятним здавався погляд, що головну роль у формуванні спіральної структури відіграють сили тяжіння, тоді як роль магнітного поля - допоміжна.

Аналізуючи тодішні зусилля, Б. В. Воронцов-Вельямінов у 1964 р. дійшов висновку, що вся спостережувана багатоманітність структур­них особливостей галактик не може бути пояснена на основі гравітаційних, електромагнітних чи інших відомих взаємодій.

У 1961 р. (а фактично ще у 1941 і 1942 рр.) Бертіль Ліндблад, відстоюючи визначальну роль гравітаційних сил у формуванні спі­ральної структури галактик, висловив ідею утворення спіралей вна­слідок формування в галактиці хвиль густини. Ці його уявлення, однак, довгий час не визнавали. Одною з причин, очевидно, було те, що Ліндблад відстоював погляд, за яким спіралі розкручуються, тоді як загальноприйнятою була протилежна думка. Не менш важливим було і те, що його теорія побудована у термінах орбіт, у ній було багато припущень і наближень, її важко прослідкувати в деталях.

Важливим кроком уперед була праця (1962 р.) Д. Лінден-Белла, який виявив, що в безударних самогравітуючих системах, які обер­таються, у площині, перпендикулярній до осі обертання, можуть поширюватися плоскі хвилі зоряної густини. У 1964 р. К. Лін та Ф. Шу (СІЛА) запропонували ідею спіральних хвиль, які поширюють­ся завдяки пружності, обумовленої дією коріолісових сил. Тим самим вдавалося усунути труднощі, які були в інших теоріях спіральної структури, де будь-які неосесиметричні неоднорідності речовини швидко закручуються диференціальним обертанням і дисипують за декілька обертів. Через два роки, у 1966 р., Лін розробив повну математичну теорію явища, за якою спіральні хвилі густини розглядають як малі збурення основного осесиметричного стану галактики. Доведено, що коли спіральні вітки не є конгломератами матерії, а хвилями, то за певних умов такі хвилі обертаються як тверде тіло незважаючи на загальне обертання системи.

З теорії Ліна випливало, що за найбільшої сплюснутості речовини галактики в ній неминуче формується спіральна структура. При цьому єдино стійкими і квазістатичними конфігураціями будуть ті, в яких утворюються два спіральні рукави, що розходяться з проти­лежних боків ядра. Теорія також дуже точно передбачає відстань між рукавами (близько 3 кпк) і величину кутів закручування спіралі (для Галактики - близько 6°), що загалом узгоджується з резуль­татами радіоспостережень.

Вихідним у теорії Ліна є положення про те, що спіральний узір виникає під дією спірального компонента гравітаційного потенціала. Саме цей його компонент утворює хвилі густини, які, у свою чергу, змушують речовину скупчуватися уздовж лінії найменшого потен­ціалу, у своєрідних «потенціальних ямах». Однак питання про по­ходження згаданих спіральних потенціальних силових полів у Ліна залишалося нез'ясованим.

Тому паралельно розглядали й інші варіанти, за якими спіральні вітки - лише короткотривалі зони інтенсивного зореутворення. Цю ідею вперше детально проаналізували у 1965 р. П. Голдрейх і Д. Лін-ден-Белл і в 1979 р. X. Герола і Р. Е. Сейден. У 1975 р. (і згодом ще раз у 1979 р.) Т. Шмідт-Калер проаналізував гіпотезу, за якою спі­ральні рукави формуються внаслідок викиду речовини з централь­них зон Галактики. Такі думки висловлювали також В. А. Амбар-цумян і X. К. Арп. За уявленнями ж Я. Яаністе та Е. Саара (1976 р.), спіральна структура утворюється внаслідок інтенсивного зореутво­рення на лінії перетину диска Галактики з площиною гіпергалактики і подальшого закручування лінійної конфігурації системи молодих зір у спіраль диференціальним обертанням.

Найсуворішим критиком теорії Ліна був Дж. Піддінгтон (Австра­лія), який у 1973 р. запропонував свою гідромагнітну теорію. Під­дінгтон вважав, що сили, які обумовлюють формування спостережу­ваного спірального узора, виникають при взаємодії нашої галактики (як і інших) з початковим міжгалактичним магнітним полем. З цієї теорії випливає, що навіть дуже слабке міжгалактичне поле упоряд­ковує міжзоряний газ настільки, щоб створити за час одного оберту Галактики картину концентрованих зон формування зір, яка нагадувала б спіральні рукави.

Всебічний аналіз, однак, показав, що лише в рамках хвильової теорії, незважаючи на всі труднощі, які все ще стоять перед нею, вдається пояснити, чому спіральний узір не лише існує, а й збері­гається упродовж багатьох обертів Галактики. Що більше, саме цією теорією були передбачені, а згодом і були виявлені: спіральна струк­тура поля швидкостей зір, спіральна структура в розподілі старого населення диска і градієнт віку об'єктів поперек спіральних рукавів.

Наступні кроки у розвитку теорії хвиль густини були зроблені рядом інших авторів, зокрема Л. С. Марочником і А. О. Сучковим (СРСР), які, зокрема, у сво'їй монографії «Галактика» (1984 р.) вичерпно розкрили проблеми динаміки, еволюції і віку всіх зоряних підсистем, спіральної структури в цілому.

Наприкінці 60-х років завдяки працям М. Фуджімото (1968 р.), В. В. Робертса (1969 р.) і С. Б. Пікельнера (1970 р.) доведено, що за наявності в галактичному диску хвилі густини тут неминуче фор­мується потужна галактична ударна хвиля, оскільки перетікання міжзоряного газу через хвилю густини супроводжується його сильним стискуванням. Внаслідок цього формуються спостере­жувані темні пилові смуги на її фронті. Безпосередньо ж за фронтом ударної хвилі відбуваються інтенсивні процеси зореутворення. Звідси виходить потужне синхротронне випромінювання.

Серйозною проблемою все ще залишається те, як в реальних галактиках відбувається збудження хвиль густини і якою є природа механізму «накачування» енергії цих хвиль, оскільки без його дії спіралі мали б зникнути після декількох обертів системи. Найімо­вірнішим є те, що дворукавну спіральну структуру може породжу­вати певне спотворення форми у центрі системи. Зокрема, як під­креслював С. Б. Пікельнер, це може бути перемичка, яка є симетрич­ною відносно центра диска і яка обертається як тверде тіло. Стосовно нашої Галактики питання про спотворення форми в її центральній частині розглянув ще у 1964 р. Ж. де Вокулер. Теоретичний аналіз можливої ролі такої бароподібної структури в центральній зоні Га­лактики дав у 1979 р. Д. Лінден-Белл. Ще одним механізмом збудження і підтримування спіральних хвиль густини може бути при­пливний механізм (який, зрештою, не виключає роль центрального бара, але здатний відіграти самостійну роль). Як довели А. і Дж. Тоомре у 1970 р., спіральні хвилі густини можуть збуджуватися завдяки дії га-лакгаки-супутника або ж при близькому проходженні іншої галактики.

сонячна система в галактиці. Поступово звільняючись від уяв­лення про центральне положення Землі у Всесвіті - від антропо­центризму (Коперник у 1543 р., Шеплі у 1918 р.), астрономи не бажа­ли також приймати тезу, нібито Сонячна система займає якесь «при­вілейоване» положення в Галактиці. Однак дані спостережень і сама теорія спіральної структури свідчать зворотне: Сонце зі своєю систе­мою планет перебуває на такій відстані від центра Галактики гк (г- «радіус коротації»), при якій кутові швидкості зір навколо нього і спірального узору є однаковими. При & < зорі і газ рухаються швидше, ніж хвиля густини, саме там виникає ударна хвиля, на фронті якої істотно зростає густина, а тому зростає і швидкість зореутворення. При & » це зореутворення зі спіральними рукавами практично не зв'язане. Існує припущення, що це унікальне місце в Галактиці, де умови зореутворення є особливими (не виникає галак­тична ударна хвиля), може мати значення для формування навколо зір планетних систем і, не виключене, для появи на них життя.

Якщо йдеться про формування саме нашої планетної системи, то найбільше визнання отримала модифікація теорії Чемберліна-Мультона (с. 413), здійснена у 1944 р. Отто Шмідтом (1891-1956, СРСР). Подальше її математичне обґрунтування належить, зокрема, Віктору Сафронову і Євгенії Рускол (СРСР). Водночас, і це було предметом особливої уваги у 70-х роках, щоб пояснити аномальний вміст у Сонячній системі ряду ізотопів, зокрема плутонію, йоду та алюмінію, ранню історію Сонячною системи необхідно розглядати в поєднанні з процесами галактичного масштабу - з положенням досонячної хмари в Галактиці. Так, у 1972р. Г. Рівс поєднав питання про згадані аномалії хімічного складу досонячної хмари з її про­ходженням через спіральний рукав Галактики. Загалом йдеться про те, що, по-перше, досонячна хмара в процесі свого перетворення у протосонячний стан перебуває під дією зовнішнього тиску, який є, очевидно, необхідним тригером для зореутворення взагалі і сонцеутворення зокрема. І, по-друге, як виглядає, близьке 4,7-109 років тому у протосонячну туманність були інжектовані «свіжі» продукти нуклеосинтезу, зокрема йод-129 і плутоній-244.

Фактично мова йде навіть про два чи більше спалахів наднових у близьких до протосонячної хмари околицях. При цьому прий­мається, що в продуктах нуклеосинтезу, викинутих внаслідок спа­лаху у навколишнє середовище, були б різні співвідношення вмісту ізотопів (у першому випадку багато йоду і плутонію, в другому -алюмінію-26). Перебування протосонячної хмари саме на відстані г « обумовлює лише одноразову дію хвилі стиску, одноразове «забруднення» нуклідами - продуктами спалахів наднових і подаль­шу «спокійну» еволюцію з формуванням планет у просторі між спіральними вітками.

Використана література:


  1. „Астрономія” – І.П. Крячко



  1. „Історія Астрономії” – І.А Климишин