УДК 524.62+524.7+524.52-34-423-46-54-856
"ТОНКАЯ" ВЕРТИКАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ГАЗОВОГО ДИСКА
ГАЛАКТИКИ
© 2007 г. Ю. Н. Мишуров
Ростовский государственный университет, Ростов-на-Дону, Россия Поступила в редакцию 10.05.2006 г.; после доработки 07.07.2006 г.
Рассматривается трехмерная эволюция ансамбля N частиц = 800 000) во внешнем гравитационном поле галактики, возмущенном спиральной волной плотности. Частицы имитируют облака межзвездного газа, поэтому в рассмотрение включены процессы неупругих парных столкновений между ними. Рассчитана трехмерная структура газового слоя галактики и вертикальное сечение спиральных рукавов. Показано, что: (1) локальная толщина газового диска нашей Галактики минимальна в области, где объемная плотность газа максимальная (при этом максимальная плотность межзвездной среды смещена "вниз по потоку" относительно фронта галактической ударной волны), (2) конфигурация вертикального сечения рукавов кардинальным образом меняется при переходе через область коротации. Первый результат объясняет отрицательную корреляцию между толщиной газового слоя и плотностью газа, найденную по наблюдениям нейтрального водорода, а второй результат может быть использован для локализации коротации в нашей Галактике в наблюдениях с применением технологии нового поколения.
PACS: 98.35.Ce, 98.35.Hj, 98.35.Ln, 98.52.Nr, 98.58.Ay, 98.62.Dm, 98.62.Hr, 98.62.Lv
1. ВВЕДЕНИЕ
Крупномасштабные динамические свойства межзвездного газа принципиально отличаются от привычного адиабатического газа (или любого политропного газа с положительным показателем политропы), в том числе, изотермического, которым часто моделируют среду, изучая те или иные явления, например, взаимодействия газа со спиральными рукавами [1, 2] (см. также и другие работы). Как известно, межзвездный газ сильно турбулизован. При этом, с одной стороны, контрасты плотности в газе достигают нескольких порядков, а с другой, "турбулентные ячейки"— облака — движутся со скоростями, значительно превышающими скорость звука в них самих. Поэтому в процессе столкновений внутри облаков возникают сильные ударные волны, приводящие к различным явлениям: их слипанию, разрушению, молекуляризации и т.д. Попутно происходит высвечивание энергии газом, возбужденным этими ударными волнами. В результате кинетическая энергия облаков, заключенная в их хаотическом движении, уменьшается. Иными словами, ансамбль облаков межзвездного газа как система при этом охлаждается. Многочисленные исследования показывают, что характерные времена потерь хаотической энергии в межзвездном газе в результате этих процессов оказываются достаточно
малыми по сравнению с динамическими временами. По этой причине отклик межзвездной среды на возмущения, например, гравитационного поля галактической волны плотности, ответственной за спиральные рукава, качественно отличается от поведения простого политропного газа. Поясним сказанное.
Следуя [3—6], будем моделировать турбулентную межзвездную среду как систему хаотически движущихся облаков1 . Тогда нетрудно показать, что скорость охлаждения единицы объема среды пропорциональна пУ^, где п есть концентрация облаков, Ут — их тепловая скорость (коэффициент пропорциональности зависит от массы и радиуса типичного облака, а также доли кинетической энергии облаков, заключенной в хаотическом движении, теряемой в одном акте столкновения; см., например, [5, 8]). Если резко сжать такой газ,
1 Отметим в этой связи, что согласно Госачинскому и др. [7], облачная модель межзвездного газа хорошо отражает наблюдательные проявления свойств межзвездной среды, и нет четких данных, указывающих на то, что она обязательно должна описываться в рамках так называемых турбулентных представлений [8]. Впрочем, как показано в [9], полученные на основе [8] "экспериментальные" результаты для скорости потерь энергии совпадают и по функциональному виду, и количественно с представлениями [3—6].
скажем, в галактической ударной волне [1], возникающей при его втекании в спиральный рукав, то, во-первых, на самом фронте ударной волны он "разогреется" — увеличится Ут, а во-вторых, возрастет концентрация частиц-облаков, т.е. плотность среды. Как следствие этого, после оттока газа от фронта ударной волны он будет сильно охлаждаться.
Учтем далее, что газовый слой в галактике находится в квазиравновесии в вертикальном направлении: гравитационная сила, создаваемая всеми объектами галактики, уравновешена эффективным давлением среды, связанным с хаотическим движением облаков. Для простоты примем, что возмущенная сила гравитационного поля спиральной волны плотности действует лишь в горизонтальном направлении параллельно плоскости галактического диска. Представим теперь, что газ втекает в спиральный рукав параллельно экваториальной плоскости диска. В нем формируется галактическая ударная волна. Вследствие описанных выше процессов среда, покидая фронт ударной волны, охлаждается. Иными словами, давление среды падает. Тогда, продолжая течение от фронта ударной волны в общем галактическом движении, газ дополнительно сжимается в вертикальном направлении под действием невозмущенного поля галактики, даже если не учитывать вертикальной составляющей возмущенной силы от спиральной волны плотности. Это явление мы назвали "эффектом самофокусировки" [9]. Как видно отсюда, крупномасштабная реакция газа на гравитационное поле спиральной волны плотности, ответственной за рукава, существенно отличается от поведения изотермического газа [2].
В настоящей работе исследовано развитие возмущений в межзвездном газе, обладающем указанными выше свойствами, под действием гравитационного поля галактической спиральной волны плотности. В отличие от [9], где решалась максимально упрощенная одномерная по пространству задача, мы рассмотрим полную трехмерную эволюцию газа. Будет показано, что тепловые свойства среды действительно влияют на формирование вертикальной структуры газовых рукавов. Наши расчеты непосредственно демонстрируют сдвиг по потоку максимальной плотности газа в рукаве относительно максимальной толщины газового слоя, расположенной на фронте галактической ударной волны [9, 10]. Кроме того, в окрестности коротационного резонанса радикальным образом меняется конфигурация вертикального сечения газового рукава, что является независимым дополнительным ключом для локализации коротации в нашей Галактике. Есть надежда, что последующие прецизионные измерения расположения облаков газа в ближайших рукавах Стрельца и Персея,
аналогичные [11], позволят картографировать их трехмерную структуру и выявить указанный эффект с помощью наблюдений.
2. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ, МОДЕЛЬ И МЕТОД
Динамику газовой компоненты галактики рассматриваем как эволюцию системы неупруго сталкивающихся N облаков, движущихся во внешнем заданном гравитационном поле. С этой целью представим гравитационный потенциал галактики р в виде
( = (о + fs, (1)
где f(r, z) есть невозмущенная осесимметричная часть, f(r, t) — возмущение от галактической спиральной волны плотности, r,§,z — цилиндрическая система координат с началом в центре галактики и осью z, направленной перпендикулярно плоскости галактики вдоль оси ее вращения, t — время. Невозмущенное гравитационное поле определяет равновесие галактики в отсутствие спиральных рукавов. В горизонтальном направлении (параллельно плоскости галактического диска) оно имеет вид df0/dr = Q2r, где Q(r) — угловая скорость вращения вещества в плоскости галактического диска. С другой стороны, в возмущенную часть потенциала мы не включаем зависимость от вертикальной координаты z. Это сделано не потому, что соответствующая компонента силы считается малой. Причина такого приближения состоит в том, что мы хотим рассмотреть чистый эффект от указанных процессов. В полном исследовании вертикальная компонента как гравитационной силы возмущающей волны, так и собственной гравитации газа должны быть включены [12, 13]. Более того, следует также включить и магнитное поле, что в силу неустойчивости Паркера может привести к совершенно новым эффектам.
Согласно волновой теории [14] запишем fs в виде бегущей волны:
fs = A cos х, (2)
где А — амплитуда волны, х = m[ctg i ln(r/r0) — — § + QPt] — ее фаза, m — число спиральных рукавов, i — угол закрутки рукавов, Qp — угловая скорость вращения спирального узора, r0 — некоторая константа, фиксирующая начальную фазу волны. В приближении "тугой закрутки" рукавов величины A и i меняются по радиусу медленно. Поэтому соотношение х = const соответствует эквипотенциальной линии для возмущенной части потенциала и задает уравнение спирального рукава. Напомним также, что диск галактики вращается дифференциально, т.е. Q есть функция галактоцентрического
-10 -5 0 5 10
Рис. 1. Вид на Галактику сверху спустя 500 млн. лет после включения возмущающего поля от спиральной волны плотности. Штриховая линия показывает положение коротационного резонанса. Линии 1 и 2 задают направления, перпендикулярные к спиральному рукаву в данной точке для £ = 90о и £ = 162° (см. текст). Обращает на себя внимание то, что в первом случае соответствующая линия пересекается с коротационным кругом в межрукавной области, а во втором — в рукаве. Видно, что внутри коротационного круга более резко очерчены внутренние края газовых спиральных рукавов, тогда как вне коротации более контрастны внешние края рукавов.
расстояния r. В то же время спиральный узор вращается твердотельно: = const [14]. Расстояние rc, на котором эти две скорости совпадают, т.е. Q(rc) = , называется радиусом коротации. Для удобства анализа в дальнейшем будем считать rQ = = rc (в настоящей работе мы не преследуем цели обосновать ту или иную модель, а просто хотим обратить внимание на некоторые особенности в области коротации; см. ниже).
Задача состоит в том, чтобы найти отклик газовой компоненты галактики на возмущенное гравитационное поле спиральной волны плотности.
Реализация соответствующего численного метода в общих чертах аналогична [15] с учетом включения полного трехмерного рассмотрения. Опишем ее вкратце. На каждом временном шаге вначале методом Рунге—Кутта решаются
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.