15.8.4. Общий характер вращения Галактики

Один из интересных аспектов динамики звездных систем, подобных Галактике, - это характер ее вращения. Вращается ли эта система как твердое тело или, подобно системе колец Сатурна, обращение любого тела в Галактике подчиняется законам Кеплера, так что угловая скорость уменьшается с возрастанием расстояния от центра? Данные наблюдений дают на этот вопрос неполный ответ.

Рассмотрим только звезды в плоскости экватора Галактики (т. е. тогда из (15.50) следует

здесь х — постоянная, А и В — постоянные Оорта, а и l — радиус-вектор и долгота звезды, измеряемые из положения, занимаемого Солнцем. Угловую скорость Солнца примем равной со. Тогда из выражения (15.47) мы видим, что ни А, ни В не зависят от координат звезды.

Поведение при изменении (для заданного значения носит систематический характер, показанный на графиках рис. 15.4.

Если Галактика вращается в окрестностях Солнца как твердое тело, тогда какие-либо лучевые скорости должны полностью отсутствовать. На самом же деле обнаруживается, что лучевые скорости существуют и описываются графиком на рис. 15.4, а. Разумеется, этот график совсем не обязательно целиком связан с галактическим вращением. Например, если звезды вблизи Солнца движутся прямолинейно, но их скорости линейно уменьшаются с расстоянием до центра Галактики (как на рис. 15.5, а), тогда мы получим поле относительных скоростей звезд, показанное на рис. 15.5, б; это поле скоростей получено путем вычитания скорости Солнца из скоростей всех звезд. Полученное относительное поле в свою очередь привело бы к систематическому распределению лучевых скоростей по долготе, схематически показанному на рис. 15.5, в. Указанное распределение согласуется с графиком на рис. 15.4, а.

Рис. 15.4.

Распределение компонентов наблюдаемых собственных движений, показанное на рис. 15.5, г, не согласуется со схематическим графиком на рис. 15.4, б. Собственное дивижение на всех долготах должно было бы быть положительным или равным нулю; наблюдения же показывают, что движения положительны, равны нулю или отрицательны в зависимости от долготы.

Однако если звезды движутся по орбитам вокруг галактического центра и мы учитываем кривизну орбит, когда строим векторы скоростей, то приходим к ситуации, изображенной на рис. 15.6, причем для простоты на рис. 15.6, а скорости приняты постоянными. Теперь видно, что, в то время как картина лучевых скоростей по существу не изменилась, картина собственных движений приобретает противоположный характер. Принимая во внимание как кривизну орбит, так и уменьшение скорости с увеличением расстояния от галактического центра, мы прпходим к картине собственных движений, согласующейся с одной из кривых рис. 15.4, построенной по наблюдениям.

В последние годы дополнительные данные наблюдений, полученные радиоастрономическими методами, улучшили наше понимание галактического вращения и позволили построить карты

Рис. 15.5.

Рис. 15.6.

распределения межзвездного вещества. Нейтральный водород испускает излучение на длине волны 21 см, которое может быть обнаружено с помощью радиотелескопов. Каждое облако нейтрального водорода движется по орбите вокруг галактического центра, а следовательно, обладает лучевой скоростью относительно Солнца. Поэтому длина волны излучения, испускаемого облаком, изменяется вследствие эффекта Доплера. Разность . между теоретическим значением длины волны к и измеренным значением дает нам лучевую скорость v при помощи формулы Доплера где с — скорость света.

Рис. 15.7.

Возможно наличие многих облаков, пересекаемых произвольной прямой, проведенной через Солнце и центр Галактики и соответствующей постоянной галактической долготе. Эти облака лежат на разных расстояниях, имеют различные плотности, так что наблюдаемый профиль интенсивности на длинах волн вблизи к см окажется достаточно сложным для любой галактической долготы. Однако тщательное сопоставление всех данных позволяет сделать детальные выводы о вращении Галактики и ее спиральной структуре.

На рис. 15.7 приведена круговая скорость V на различных расстояниях R от галактического центра; зависимость построена на оптических данных об О- и В-звездах и радионаблюдениях на волне 21 см.

Вплоть до расстояния Галактика вращается как твердое тело с постоянной угловой скоростью (иными словами, . За пределами этого расстояния скорость вращения достигает максимума, после чего круговая скорость начинает убывать с возрастанием расстояния. Как с эмпирической точки зрения, так и на основе теоретических исследований вращающихся симметричных звездных систем в стационарном

состоянии с эллипсоидальным распределением скоростей закон изменения скорости с расстоянием должен иметь вид

    (15.68)

где — постоянные. Максимальное значение V достигается тогда, когда Солнце находится в области, расположенной сразу за предельным расстоянием где круговая скорость начинает уменьшаться с ростом расстояния от галактического центра.

Значения можно вывести следующим образом.

Из путем дифференцирования получаем

Но уравнение (15.47) дает

Отсюда путем исключения и V из соотношений (15.68), (15.69) и (15.70) находим

    (15.71)

Заметим, что в этих выражениях R — это расстояние Солнца от центра Галактики, поскольку А и В представляют собой постоянные Оорта, значения которых выведены для положения Солнца в Галактике.

Закон скоростей (15.68) легко выразить в полуколичественной форме. Звезды, расположенные далеко от почти сферического галактического ядра, находятся в области, где прослеживаются квазикеплеровские орбиты, поскольку массивное галактическое ядро действует приблизительно как материальная точка. В такой области момент количества движения постоянен (т. е. ); следовательно, . Для звезд, близких к галактическому ядру или расположенных внутри него, сила пропорциональна массе, заключенной в сфере радиуса R. Но

где v — концентрация звезд в ядре, средняя масса звезды. Отсюда приравнивание центростремительной силы силе притяжения единицы массы дает нам

Следовательно,

Иными словами, в рассматриваемой внутренней области

В пределах этой области все звезды обращаются по круговым орбитам с одним и тем же периодом порядка лет.

Другие галактики, например в Андромеде и в Треугольнике, показывают те же самые особенности вращения: их внутренние области вращаются как твердые тела, а в их внешних областях скорость убывает по мере увеличения расстояния от центра.