научная статья по теме ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПОЯСА ГУЛДА Астрономия

Текст научной статьи на тему «ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПОЯСА ГУЛДА»

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 40, № 1, с. 63-67

УДК 521.131

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПОЯСА ГУЛДА

© 2014 г. О. О. Василькова*

Главная астрономическая обсерватория РАН, Пулково

Поступила в редакцию 25.04.2013 г.

Представлены результаты численного моделирования движения пояса Гулда для двумерного (кольцо в плоскости Галактики) и трехмерного (сферическая оболочка вне плоскости Галактики) случаев. Частицы расширяющейся оболочки взаимодействуют друг с другом в рамках задачи N тел. Галактический потенциал заимствован из работы Флина и др. (1996). Общая масса оболочки равна 1.5 х 106 Ы0 в соответствии с оценкой, приведенной в работе Бобылева (2006). Начальные взаимные расстояния и скорости компонентов оболочки подобраны таким образом, что она достигает современных размеров пояса Гулда за 30—60 млн. лет. Показано, что в двумерном случае кольцо с течением времени вытягивается во вращающийся эллипс, что находится в согласии с результатами, полученными в работе Блаау (1952) другими методами. В трехмерном случае проекции изначально сферической оболочки на галактическую плоскость — также вращающиеся эллипсы. Выявлены вертикальная осцилляция компонентов пояса Гулда относительно плоскости Галактики, сплющивание сферической оболочки и ее наклонение к плоскости Галактики через определенный промежуток времени.

Ключевые слова: небесная механика, задача N тел, динамика звездных систем, потенциал Галактики, эволюция звездных систем.

DOI: 10.7868/S0320010814010082

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Наиболее полный исторический обзор проблемы пояса Гулда и обширный список литературы по данному вопросу можно найти в работах Бобылева (2006) и Бобылева, Байковой (2007), из которых были заимствованы масса пояса Гулда, его современные размеры, удаленность его центра от Солнца и другие параметры. В современном представлении пояс Гулда — ближайший к Солнцу звездно-газовый комплекс, расширяющийся и вращающийся, являющийся областью активного звездообразования. Центр его эллиптической структуры размером 1000 х 500 пк находится в 150 пк от Солнца во втором галактическом квадранте. В его состав входят как одиночные звезды различных спектральных классов, так и звездные ассоциации (Sco OB2, Ori OB1, Per OB2 и др.), водородные молекулярные облака и кольцо Линдблада нейтрального водорода, центр которого близок к центру пояса Гулда. Примерно в его центре находится также "древняя" звездная ассоциация Cas-Tau. Интересно отметить, что структуры, подобные поясу Гулда, обнаружены и в других галактиках (Камерон, 2001).

Электронный адрес:о1уаоу@та11.ги

Цель настоящей работы — проверка методами небесной механики гипотезы образования пояса Гулда в результате взрыва с последующим разле-танием и торможением образовавшейся оболочки.

В начальный момент времени равновесные компоненты пояса Гулда расположены равномерно на кольце (при движении в плоскости Галактики) или на сфере (при движении вне галактической плоскости). Кольцо или сфера, в свою очередь, находясь на расстоянии Солнца (8 кпк) от центра Галактики, участвуют в галактическом вращении. Суммарная масса равновесных компонентов (10 и 12 компонентов-ассоциаций для плоского и трехмерного случаев соответственно) составляет 1.5 х х 106 Ы(.-.) в соответствии с оценкой, полученной в работе Бобылева (2006). Начальный радиус г0 кольца (или сферы), скорость уТ вращения кольца (сферы) и скорость уг расширения подбираются таким образом, что современные размеры пояса Гулда (^1000 пк) достигаются за промежуток времени 30—60 млн. лет. Компоненты пояса Гулда взаимодействуют друг с другом в рамках задачи N тел и движутся в поле симметричного галактического потенциала, представленного в работе Флина и др. (1996). Данный потенциал учитывает влияние центральной части Галактики, ее диска и темного гало. Численное интегрирование производится

-........4 > с „.....< 10 О 20 0 30 л 40 ^ 38.6 х 106 млн. лет л ё = 1000 пк 50 Л' > о......- 10 О " 20 С 30 ■1 40 ^ " 58.3 х 106 млн. лет ё = 1000 пк 50

" ■■ 1 ■ ■ ~ # ■ 1 - ■# ■ ........ Vг = 1 км/с 60/ г0 = 352 пк 80... 90 0 100 и ......... V, = 1 км/с 60/-г0 = 305 пк - 70., - Г 80.» 90 *■ : ........

м * 0

-4

-4

4

X, кпк

8 0

Рис. 1. Движение в плоскости Галактики. Начальная скорость разлетания: 1 км/с; радиус кольца: 352 и 305 пк. Числа 10, 20,... — время (млн лет).

8

4

0

8

4

к * 0

-4

1 1 1 1 1 1 1 1 - * 1 1 1 1 1 1 1 1 > О ^ ' 10 О 20 /1 30-' 40 У 34 х 106 млн. лет .4 ё = 1000 пк 50 С-" 1 1 1 1 1 1 1 1 ' О " 10 о " 20 о 30 л 40" " 55 х 106 млн. лет л ё = 1000 пк 50

........ ,1 V, = 5 км/с 60;. ■ Г0 = 258 пк 70 80 ........ V, = 5 км/с 60 ¿и"" Г0 = 164 пк - V- 80 _. . 90 - 100 -........

-4

4

X, кпк

80

Рис. 2. Движение в плоскости Галактики. Начальная скорость разлетания: 5 км/с; радиус кольца: 258 и 164 пк. Числа 10, 20,... — время (млн лет).

8

4

0

8

4

методом Эверхарта и прекращается при достижении оболочкой размера 1000 пк. Единицы массы, времени и расстояния составляют 103 М©, 103 лет и 1 пк, соответственно. Многочисленные предварительные расчеты показывают, что оптимальное время расширения кольца может быть достигнуто варьированием как трех начальных параметров г0, ут, уг, так и только двух — начального радиуса кольца го и скорости расширения уг (вращение отсутствует). Варьирование начальной скорости вращения кольца или сферы приводит лишь к изменению скорости вращения эллипса, в который, вытягиваясь со временем, превращается кольцо (или проекция сферы на плоскость Галактики в трехмерном случае). Результаты, представленные

в настоящей работе, получены для расширения оболочки, первоначально свободного от вращения.

ДВИЖЕНИЕ В ПЛОСКОСТИ галактики

На рис. 1—3 показана зависимость скорости расширения кольца (времени его расширения до современных размеров) от начального расстояния между компонентами и начальной скорости их раз-летания для 10 компонентов. Видно, что кольцо со временем вытягивается в эллипс, медленно вращаясь. Начало системы координат находится в центре Галактики, ось у проходит через Солнце (Солнце находится в центре начального кольца).

Полученные результаты хорошо согласуются с полученными в предыдущей работе (Блаау, 1952)

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ

65

1 1 1 1 1 1 1 1 0 i i i 1 О 1 i i i 1

10 О 10 О -

- 20 30* 20 30° :

53 х 106 40^ 33 х 106 ■■■■ - 40'«'" -

млн. лет млн. лет

- d = 1000 пк 50 ¿J d = 1000 пк 501." "

- vr = 10 км/с 60/J? vr = 50 км/с ■ " 60 л

- Г0 = 59 пк Гц = 2.1 пк ■ ■ _

. V 70и? а " "■

т _ л 70 . - " J

- » 80., 80. а ■ .

т "Ч 1 0 100 90 " 90 . ■ " -

........ - 1 i i i i 1 , , , i

м

к п м 0

-4

-4

4 8 0

X, íní

Рис. 3. Движение в плоскости Галактики. Начальные скорость разлетания и радиус кольца: 10 км/с и 59 пк; 50 км/с и 2.1 пк. Числа 10, 20,... — время (млн лет).

4

0

4

8

другими методами. В работе Блаау (1952) рассматривался плоский случай расширяющейся первоначально сферической звездной ассоциации, и показано, что дифференциальное вращение Галактики приводит к тому, что окружность вытягивается в эллипс, ориентация которого изменяется со временем.

Необходимо отметить, что для каждого значения параметра начального взаимного разделения компонентов г0 и заданного диапазона времени расширения до определенного размера существует минимальная скорость разлетания, ниже которой силы взаимного притяжения компонентов становятся настолько сильными, что вместо расширения оболочки происходит ее деформация, сопровождающаяся слиянием отдельных компонентов друг с другом. На рис. 1—3 для каждого приведенного значения г0 и соответствующего времени расширения указано именно это критическое значение скорости уг. На рис. 1 при скорости расширения 1 км/с время достижения современных размеров пояса Гулда составляет 38.6 и 58.3 млн. лет для го = 352 и 305 пк, соответственно, на рис. 2 при скорости расширения 5 км/с та же разница во времени расширения (^20 млн. лет) соответствует уже значительно большему различию в начальных размерах оболочки (258 пк и 164 пк). На рис. 3 то же самое различие во времени расширения 20 млн. лет (при самих временах из промежутка 30—60 млн. лет) при значительном соотношении скоростей расширения (50 км/с : 10 км/с = 5) первоначальные радиусы оболочек различаются почти в 30 раз (59 и 2.1 пк).

ДВИЖЕНИЕ ВНЕ ПЛОСКОСТИ ГАЛАКТИКИ

После получения согласия результатов плоского численного интегрирования в рамках задачи

N тел с результатами предыдущей работы, полученными другими методами (Блаау, 1952), была предпринята попытка численного моделирования трехмерного случая для гипотезы взрыва с последующим расширением оболочки.

12 компонентов, общей массой 1.5 х 106 Ие, в начальный момент времени (момент "0" на всех графиках) распределены равномерно на сфере, приподнятой (подобно поясу Гулда) над плоскостью Галактики. Равномерность распределения по сфере достигается размещением компонентов в вершинах икосаэдра, вписанного в сферу. Как и кольцо (при движении в плоскости Галактики), сфера не вращается, а только расширяется. Результаты трехмерного численного интегрирования показывают, что для заданных значений радиуса сферы, скорости ее расширения, приподнятости над плоскостью Галактики величина сплющивания системы и ее наклонение к галактической плоскости зависят от времени расширения оболочки (времени численного интегрирования).

В представленном на рис. 4—6 примере начальная скорость расширения равна 1 км/с. Это значение выбрано для лучшего сравнения с результатами работы Блаау (1952), в которой кольцо начинает расширяться со скоростью 1 км/с.

Радиус сферы выбирается как минимальный из всех, при которых еще возможно расширение оболочки, а не ее сжатие или слияние компонентов. Один из диаметров сферы наклонен к плоскости Галактики на 45°. Он соединяет два компонента, обозначенные на рис. 4—6 звездочкой и большим кружком. Компоненты, относящиеся к верхней и нижней частям икосаэдра, обозначены соответственно темными и светлыми кружками. Таким образом, можно проследить за движением частиц расширяющейся оболочки в трех проекциях. Как

4

X, кпк

8

4

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.

Показать целиком