Движение звёзд в галактиках и релаксация

Общая астрономия. Далекая Вселенная. Движение звёзд в галактиках и релаксация

Эллиптическая галактика представляет собой совокупность звезд, образующих единую систему, связанную общим тяготением звезд. Каждая звезда движется в общем поле тяготения системы и не испытывает действия никаких иных сил, кроме сил тяготения. Можно сказать, что звезда свободно падает в поле тяготения системы. Падая, таким образом, с какой-то высоты к центру системы по радиусу, она ускоряет свое движение, а когда достигает центральной области, то там, очевидно, не останавливается, а проскакивает центр и начинает затем удаляться от него к противоположному краю системы. Теперь движение происходит не с ускорением, а с замедлением (подобно движению камня, брошенного вертикально вверх), так как это движение направлено против силы тяготения, действующей, как всегда, в направлении к центру. Скорость звезды уменьшается по мере удаления от центра и, наконец, звезда останавливается на миг (как камень в высшей точке), ее скорость обращается в нуль.

Затем начинается обратное падение к центру, звезда достигает его и, минуя центр, возвращается вновь в положение, с которого началось ее падение, а затем этот цикл движения повторяется вновь и вновь. В звездной системе не действуют никакие другие силы, кроме сил тяготения, но система, тем не менее, не сжимается, а остается стационарной как целое. Это возможно потому, что каждая из звезд галактики совершает циклическое движение по своей орбите в пределах ограниченного объема между крайними точками, где скорость удаления звезды от центра системы обращается в нуль. Конечно, совсем не обязательно, чтобы орбита каждой звезды проходила точно через центр системы; орбиты звезд различны и кроме чисто радиальных возможны и эллиптические орбиты, подобные орбитам планет в Солнечной системе, но только менее круглые, гораздо более вытянутые. Все эти орбиты равномерно заполняют объем системы, создавая ее правильную сферическую или в той или иной степени эллипсоидальную, сплюснутую форму.

Так устроены эллиптические галактики и сферические подсистемы спиральных галактик. Диски спиральных галактик, и в частности, диск нашей Галактики, имеют много общего в динамике с Солнечной системой. Подобно планетам, все звезды диска движутся по почти круговым орбитам, на которых центробежные силы уравновешены силами тяготения. Отличие от Солнечной системы лишь в том, что силы тяготения создаются в галактиках не центральным телом (ядра галактик не очень массивны), а главным образом самими звездами их диска и сферической составляющей. Средние скорости движения звезд нашей Галактики как по вытянутым, так и по круговым орбитам составляют 100—300 км/с. В менее массивных галактиках они меньше, в более массивных больше, но всегда лежат в пределах от десятков до тысячи километров в секунду. Форма и внутреннее строение эллиптических галактик или сферических подсистем спиральных галактик слишком правильны и регулярны, чтобы их можно было целиком объяснить исходной формой и структурой протогалактического облака. Протогалактические облака были, скорее всего, клочковаты, рыхлы и не имели четких правильных границ.

Что же придало звездным системам их регулярное строение и форму? Конечно, это тоже результат действия сил тяготения — ведь иных сил в звездных системах нет. Давно известно, что силы тяготения всегда стремятся придать телам правильную, округлую форму; это определяет форму Солнца и других звезд, фигуры планет. Приближение к такой правильной форме и структуре подобно процессу релаксации в других физических системах — таких, как, например, газ атомов или молекул. Релаксация — это процесс приближения системы к равновесному состоянию. Релаксация в газе сопровождается установлением общей однородности распределения атомов или молекул в занятом ими объеме; она ведет к равновесному распределению случайных тепловых скоростей частиц. В термодинамике равновесное распределение частиц по скоростям получило название распределения Максвелла. Релаксация в газе осуществляется путем столкновений частиц друг с другом; при случайных столкновениях частиц их скорости изменяются и тем самым достигается максвелловское распределение. Звездные системы обнаруживают определенные признаки равновесного состояния. Кроме регулярной формы, на это указывает также распределение звезд по скоростям, которое, насколько можно судить по окрестности Солнца в нашей Галактике, напоминает распределение Максвелла.

Но столкновения звезд в галактиках, подобные столкновениям частиц газа, невозможны. Звезды не только не сталкиваются друг с другом «лоб в лоб», но даже фактически и не подходят друг к другу достаточно близко, чтобы их скорости могли при этом — из-за парного гравитационного взаимодействия звезд — измениться сколько-нибудь существенно. Оценки показывают, что время ожидания близкого прохождения двух звезд намного больше возраста галактик. В этом смысле можно сказать, что галактики являются бесстолкновительными системами. И, тем не менее, релаксация звездных систем все же возможна. В 1967 г. Д. Линден-Белл выдвинул предположение, что она обязана не парным «столкновениям» звезд, а взаимодействию каждой звезды с гравитационным полем всей системы. Такая бесстолкновительная релаксация произошла в ту эпоху, когда галактики еще только формировались. При общем сжатии и фрагментации протогалактики само гравитационное поле системы сильно менялось и со временем, и от одного места к другому.

Рождающиеся одновременно с этим звезды испытывали по этой причине «толчки», при которых изменялись их скорости и орбиты. «Толчки» и вызываемые ими изменения в движении звезд были довольно сильными: отдельная звезда сталкивалась, можно сказать, со всей системой в целом или, по крайней мере, с крупными ее частями. Этот процесс имел случайный характер в том же смысле, в каком случайны столкновения частиц в газе. Каждое единичное изменение в движении данной звезды было непредсказуемым по своим результатам, но таких изменений было много, они происходили непрерывно, и потому их итоговое действие обеспечивало возможность проявления общей для всех физических систем тенденции к установлению равновесия. Все это дает основание видеть в процессе такого рода черты релаксации; Линден-Белл назвал его «бурной релаксацией». Релаксация действительно была бурной: она протекала в неустановившемся, сильно «возбужденном» состоянии протогалактики, когда имелись и первые звезды, и хаотически движущиеся (со скоростями в сотни километров в секунду) массивные газовые фрагменты.

Теория бурной релаксации, как, впрочем, и весь комплекс проблем, связанных с превращением протогалактики в звездную систему, остается еще недостаточно разработанной. Многое, однако, удалось выяснить не путем теоретических расчетов, а с помощью современных методов моделирования на крупных вычислительных машинах. Машина может по нашему заданию найти изменение со временем скорости и положения звезды в системе, выяснить на этой основе общее поведение системы в целом. Оказалось, что бесстолкновительной системе гравитирующих тел действительно свойственно стремление сферизоваться, принимать со временем все более сглаженную, регулярную форму. Это происходит за время, сравнимое с типичным периодом обращения звезды в системе. Замечательно, что результат справедлив для очень широкого многообразия исходных состояний системы, с которых при таком моделировании начинается машинный расчет.

Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта 21.12.2006