Механизм возникновения полярного кольца галактики

Аннотация

В работе рассмотрена возможность образования галактик c полярными кольцами при движении галактики со слабым магнитным полем в более мощном магнитном поле другой галактики. При движении диска слабой галактики параллельно магнитному полю сильной галактики возникает сила , действующая на газовые облака гало слабой галактики и направленная перпендикулярно диску галактики. При определённых условиях эта сила может привести к возникновению полярного кольца у слабой галактики. В качестве примера была рассмотрена галактика массы 10M_o и радиуса Rg=3•10³пс, движущаяся во внешнем магнитном поле напряженностью Н=1,4•10-20 Гс. Расчёты показали, что в этом случае из газа гало за 300 - 400 млн. лет формируется полярное кольцо расположенное в области 1.5Rg < r < 2.5 Rg (r - расстояние до центра галактики). Названа причина интенсивного звездообразования в полярном кольце: газ и пыль в кольце движутся перпендикулярно движению материи гало вне кольца; это должно создавать волны плотности и приводить к звездообразованию.

1. Квазилоренцева сила

При движении облака плазмы перпендикулярно вектору напряжённости магнитного поля возникает сила , действующая на каждую частицу плазмы, как заряженную, так и нейтральную. Возникновение силы объясняется неодинаковым искривлением траекторий ионов и электронов под действием лоренцевых сил, в результате чего суммарный импульс, приобретаемый за время свободного пробега от момента ионизации до момента рекомбинации парой ион-электрон, оказывается отличным от нуля. На рис. 1 показана схема, поясняющая этот эффект.

Можно принять, что галактический газ состоит из водорода. Поэтому в среднем от момента ионизации до рекомбинации ион и электрон проходят путь одинаковой длины. При определённом сочетании значений скорости движения облака , плотности плазмы , и напряжённости магнитного поля длина свободного пробега этих частиц в точности совпадёт с длиной ларморовской окружности электрона (вектор перпендикулярен плоскости рисунка). В этом случае ион накопит импульс, перпендикулярный массовой скорости , а у электрона такой импульс будет равен нулю. В общем случае при сочетаниях значений параметров , и , близких к указанному выше, ион будет накапливать импульс, перпендикулярный массовой скорости , на несколько порядков больший, чем аналогичный импульс для электрона. Этот импульс при последующих актах рекомбинации-ионизации статистически перераспределится между частицами плазмы, что приведёт к изменению направления массовой скорости облака от значения к значению . Это означает, что при движении облака плазмы перпендикулярно вектору напряжённости магнитного поля возникает сила , действующая на всё облако в целом. Само магнитное поле работы при этом не выполняет и его энергия на создание силы не расходуется. Составляющая имеет направление обратное скорости движения плазмы и обусловливает торможение облака плазмы магнитным полем. Составляющая направлена перпендикулярно вектору массовой скорости и может вызвать изменение направления движения облака. Если и ( - гравитационная сила, действующая на частицу плазмы), то торможение облака магнитным полем проявляется слабо, а изменение направления движения облака может быть значительным. В этом случае сила может заметно повлиять на распределение галактического газа в пределах галактики. Сила имеет определенное сходство с лоренцевой силой. Как та, так и другая порождаются магнитным полем и могут быть записаны в виде , где k коэффициент пропорциональности, равный в случае лоренцевой силы заряду частицы , а для рассматриваемой силы представляющий собой некоторую функцию от степени ионизации плазмы , плотности плазмы , массовой скорости v, и напряженности магнитного поля H,

причем , где e - заряд электрона. Под действием как той, так и другой силы частица движется по окружности, радиус которой пропорционален скорости движения частицы. Это дает определенное основание назвать силу квазилоренцевой. Следует отметить, однако, что указанное сходство лоренцевой и квазилоренцевой сил является чисто формальным. Основное различие данных сил заключается в том, что сила Лоренца действует лишь на заряженные частицы, безразлично, находящиеся в газе или изолированные. Квазилоренцева сила действует одинаково на все частицы плазмы, как заряженные, так и нейтральные и возникает статистически лишь в больших ансамблях частиц. К отдельной изолированной частице понятие квазилоренцевой силы неприменимо.

Механизм возникновения квазилоренцевой силы и алгоритм вычисления значений этой силы подробно рассмотрены в §4.1. "Существование силы, действующей на облако космической плазмы, движущейся в слабом магнитном поле".

2. Механизм возникновения полярного кольца галактики

Спектральные наблюдения показали, что центральное тело таких галактик вращается вокруг своей малой оси, галактики плоские, а видимая сигарообразность обусловлена тем, что такая плоская галактика видна почти с ребра [3,4]. Полярное кольцо такой галактики на самом деле состоит из двух симметричных газовых крыльев с вкраплёнными в них звёздами, что хорошо видно на рис. 2в. Вращение в газово-звёздных крыльях происходит в плоскости, проходящей через ось вращения центрального тела. Таким образом, плоскости вращения центрального тела и газово-звёздного кольца взаимно перпендикулярны. Схематически эта ситуация иллюстрируется рис.3. В некоторых случаях два отдельных крыла отчётливо видны (рис. 2в), в других случаях крылья практически смыкаются и тогда видно одно кольцо (рис. 2а,б). Смысл рис. 2г объясняется в конце статьи.

Рис.3а и рис.3б соответствуют двум возможным противоположным направлениям вращения газово-звёздного кольца. При объяснении возникновения полярных структур чаще всего рассматриваются внешние гравитационные воздействия соседних галактик (аккреция части вещества одной из сблизившихся галактик на другую галактику) [5,6]. В данной работе для объяснения возникновения полярных колец используется понятие квазилоренцевой силы. При движении облака плазмы перпендикулярно магнитному полю возникает квазилоренцева сила , действующая на частицы облака. Если угол между и отличен от перпендикулярного, то работает лишь составляющая скорости , ортогональная напряженности магнитного поля . Согласно (1) эта сила перпендикулярна векторам скорости облака и напряженности магнитного поля . Покажем, что при движении галактики параллельно магнитному полю генерируются полярные кольца. Механизм возникновения полярного кольца поясняет рис. 4

Рис. 4

Квазилоренцева сила возникает только в случае, если вектор скорости газового облака имеет составляющую, перпендикулярную напряжённости магнитного поля. Так как галактика движется параллельно вектору напряженности магнитного поля , то составляющая скорости, перпендикулярная вектору , обусловлена только кеплеровской скорости . Квазилоренцева сила приводит к появлению скорости частиц газового облака, перпендикулярной плоскости диска галактики. В точках А и В значение перпендикулярной к составляющей кеплеровской скорости максимально, а в точках С и D равно нулю. Соответственно в точках А и В значение квазиловенцевой силы максимально, а в точках С и D равно нулю. Вследствие этого при определённых условиях может возникнуть полярное кольцо, которое формируется в основном из газовых облаков, расположенных близко к линиям АА1 и BB1 (рис.5): на линиях АА1 и BB1 значение составляющей кеплеровской скорости, перпендикулярной вектору , максимально, а значит и значение квазиловенцевой силы также максимально.

Рис. 5

При объяснении возникновения полярных колец за счёт квазилоренцевой силы прежде всего встаёт вопрос о природе межгалактических магнитных полей.

В литературе отмечаются следующие факты:

• 1. У большинства галактик с полярными кольцами центральные объекты похожи на линзовидные [5,9];
• 2. Галактики с полярными структурами очень слабы [9,10]; это даёт основание полагать, что такие галактики не только весьма удалены, но и не слишком массивны.
• 3. Нет наблюдений одиночных галактик с полярным кольцом, не входящих в какое-либо скопление галактик; это даёт основание полагать, что такие галактики могут быть продуктом взаимодействия данной галактики с одной из галактик скопления.
• 4. Согласно наблюдательным данным крупномасштабные магнитные поля ближайших спиральных галактик грубо можно разделить на два типа [7, с. 77, 80-81]: осесимметричные (линии магнитной напряжённости сонаправлены со спиральными ветвями галактики); бисимметричные (линии магнитной напряжённости образуют дипольную либо квадрупольную структуру). Среди ближайших спиральных галактик, крупномасштабное магнитное поле которых удалось идентифицировать, около 80% составляют галактики с бисимметричным магнитным полем [7, с. 80]. Это даёт основание полагать, что и в общем случае бисимметричное магнитное поле спиральной галактики - явление типичное.

Рис. 6

Если плоскости дисков малой и большой галактик параллельны, то при прохождении малой галактикой позиции 1 образуется полярное кольцо (рис.3а), при прохождении позиции 3 также образуется полярное кольцо противоположного направления (рис.3б), а при прохождении позиции 2 будут образовываться структуры, расположенные в плоскости диска галактики. Если же плоскости дисков малой и большой галактик не параллельны, то реализуется только один из этих сценариев. При скорости движения галактик относительно друг друга порядка 200 км/с, взаимодействие галактик, приводящее к изменению структуры малой галактики, может продолжаться до 1 млрд. лет.

• 1. Плоскости дисков галактик параллельны;
• 2. Собственное магнитное поле малой галактики в пределах её светящейся части сильнее магнитного поля большой галактики в этой же области;
• 3. Собственное магнитное поле малой галактики в пределах её гало слабее магнитного поля большой галактики в этой же области;
• 4. Гало галактик барионное, газово-пылевое;
• 5. Газовые облака HI гало имеют такие же характеристики, как и газовые облака HI диска галактики.

Контрольные расчёты показали, что значение квазилоренцевой силы очень слабо зависит от степени ионизации и от плотности газа в облаке HI (при проверке эти параметры варьировались на несколько порядков) и сильно зависит от распределения массы в галактике и напряжённости магнитного поля.

Параметры галактики со слабым магнитным полем следующие: галактика линзовидная, радиус диска галактики Rg=3•10³пс, масса диска галактики Mg=10¹⁰М. Гало сферическое, диаметр гало в шесть раз больше диаметра диска галактики, полная масса галактики (диск + гало) на порядок больше массы диска галактики. Распределение массы в гало подбиралось так, чтобы кривая вращения галактики, обусловленная распределением материи в светящемся диске и в тёмном гало, соответствовала наблюдательным данным. На рис.7 показаны расчётная кривая вращения для данной галактики (r - расстояние до центра галактики), а на рис.8 кривая вращения галактики NGC~3198, полученная по наблюдениям нейтрального водорода на 21 см (кривая вращения разложена на три составляющие: вклад диска; вклад газового компонента; вклад гало) [8]. Как видно, характер кривых совпадает.

Расчётные кривые рис.7 получены при условии, что полная масса галактики в пределах Rg < r < 6Rg задаётся формулой:

(2)

Рис. 8 >> справа

Яркость полярного кольца, состоящего из газа с вкраплёнными в него звёздами, зависит от плотности газа в кольце. А плотность газа в кольце радиуса r пропорциональна плотности массы гало на расстоянии r от центра галактики (см. схему, показанную на рис.5). Масса сферического слоя с радиусом r и единичной толщиной равна Из (2) следует, что:

На рис.9 приведен график, показывающий изменение плотности массы гало при Rg < r < 6Rg.

Хотя полярное кольцо формируется из всех газовых облаков, расположенных близко к линиям АА1 и BB1 (рис.5), яркость кольца зависит от плотности газа в кольце. Очевидно, что наибольшая яркость кольца будет в тех его частях, которым соответствует высокая плотность газа. Чтобы визуально на расчётном графике отразить этот факт, построение расчётных траекторий частиц газа производилось с переменным шагом, величина которого увеличивалась пропорционально уменьшению плотности массы гало. При начальном значении шага h = 0.05 Rg последующие шаги рассчитывались по формуле h: = h/plotn. Это дало такой ряд начальных значений r для расчётных кривых в единицах Rg, Rg < r < 6Rg : [1, 1.05, 1.1, 1.16, 1.23, 1.34, 1.51, 1.85, 2.81] для направлений АА1 и BB1 . Совокупность всех расчётных кривых приведена на рис. 10. По совокупности расчётных кривых можно сделать заключение, что наиболее яркая область кольца располагается в пределах 1.5Rg < r < 2.5 Rg, что в большинстве случаев соответствует наблюдательным данным. На рис. 11 эта область выделена цветом.

Можно также отметить ещё один эффект. Расчёты показали, что скорость движения частицы из её начального положения к точке с максимальной кривизной траектории значительно уменьшается, а затем снова возрастает. Так, для частицы с исходной координатой r = Rg в верхней точке кривой скорость в 30 раз меньше скорости в исходной точке. Вследствие этого половина времени, затраченного на прохождение всей траектории, приходится на прохождение небольшого участка траектории, выделенного на рисунках 10-11 овалом. Аналогичное явление будет иметь место для всех траекторий с исходными координатами, удовлетворяющими условию Rg < r < 1,5Rg. Поэтому в областях, выделенных на рис. 10-11 овалами, будет скапливаться большое количество газа и на фотографиях они будут выглядеть более яркими. На фотографии галактики (рис. 2в) в средней части левого полукольца такая более яркая область видна отчётливо. На правом полукольце яркая область более размыта, но также видна. На рис. 2г эти области выделены овалами.

Картина, показанная на рис. 10-11, формируется за 300 млн. лет. За промежуток времени 400 млн. лет для рассматриваемого случая образуется полностью замкнутое полярное кольцо.

Для завершения обоснования процесса возникновения полярных колец необходимо ещё объяснить причину интенсивного процесса звездообразования в полярных кольцах. Возможно следующее объяснение. Газ гало вращается вокруг оси ОО1 (рис.4). Газ полярного кольца движется в направлении, перпендикулярном перемещению газа гало. "Врезаясь" в газ гало, газ полярного кольца создаёт волны плотности, что и приводит к ускоренному звездообразованию.

• 1. Whitmore B.C., Lucas R.A., McElroy D.B. et al. // Astronomical Journal. 1990. V.100. N5. P.1489-1522.
• 2. Reshetnikov V., Bournaud F., Combes F. et al. // Astron. Astrophys. 2005. (в печати) (astro-ph/0412013).
• 3. Ulrich M.-H. // Publ. Astron. Soc. Pacif. 1975. V.87. P.965-967.
• 4. Schechter P.L., Gunn J.E. // Astronomical Journal. 1978. V.83. N11. P.1360-1362.
• 5. Решетников В.П. Взаимодействующие галактики // Природа. 2000. N 6. С.13-21.
• 6. Reshtnikov V., Sotnikova N. // Astron. Astrophys. 1997. V.325. N3. p.933-942.
• 7. Рузмайкин А.А., Соколов Д.Д., Шукуров А.М.. Магнитные поля галактик. - М., "Наука", 1988.
• 8. Freeman K. Dark Matter in Galaxies // Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics 2000 {http://eaa.iop.org}

Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта 18.11.2008-13.11.2008
3. Автор статьи Л.М. Топтунова

Главная страница раздела