Cила, образующая детали галактик

Чтобы понять, какая сила формирует необычные структуры галактик, нужно ответить на два вопроса:

На первый вопрос ответить не трудно. Необычные структуры, представленные на рис. 3-8 раздела "1. Галактики" всегда возникают на краю видимого диска галактики. Материалом для создания этих структур могут служить холодные газовые облака HI, состоящие преимущественно из нейтрального водорода. Условия в таких облаках следующие: температура T порядка 10 градусов Кельвина, плотность n порядка 10 атомов на кубический сантиметр. Облака ионизуются космическими лучами. Ионизация - отрыв электрона от атома. Степень ионизации ß (отношение количества ионизованных атомов к общему количеству атомов) порядка 10^-3. Ионизованный газ является плазмой. Плазма - это газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц в таких пропорциях, что общий заряд равен нулю. Значит, материалом для построения интересующих нас структур служит холодная, разреженная, слабоионизованная плазма. Итак, параметры плазмы, из которой создаются экзотические структуры, следующие:

Посмотреть, какое место занимает галактическая плазма среди других случаев плазмы, встречающихся в различного типа системах, можно на рис. 1. Здесь Te - температура плазмы в электронвольтах (один электронвольт равен 11 600° С), Ne - плотность электронов в см^-3. Схема взята из монографии Б.М. Смирнова "Введение в физику плазмы".

Ответ на второй вопрос (о природе магнитных полей) сложнее. О магнитных полях галактик сведения имеются, хотя и не слишком богатые, так как магнитные поля галактик к настоящему времени изучены слабо. В последние годы появилось исследование по магнитным полям ближайших спиральных галактик. Среди исследованных ближайших к нам спиральных галактик, крупномасштабное магнитное поле которых удалось идентифицировать, около 80% составляют галактики с дипольным или квадрупольным магнитным полем (А.А. Рузмайкин и др., "Магнитные поля галактик"). Структура этих полей показана на рис. 2.

Анализ, проведенный для дипольного поля галактики, показал следующее. Если на полюсе галактики напряжённость Н магнитного поля имеет порядок ~10^-6 Э, то на расстоянии, равном среднему расстоянию между галактиками в типичном скоплении галактик, напряжённость Н будет иметь порядок 10^-20 Э. Кроме того, в литературе встречается указание, что напряжённость межгалактического магнитного поля не может быть больше, чем 10^-9 Э. Таким образом, при расчётах нужно пользоваться следующей оценкой напряжённости межгалактических магнитных полей:

Движение галактик в скоплении галактик можно сравнить с движением роящихся насекомых. Разумеется, движение каждой отдельной галактики в каждый данный момент подчиняется законам механики. Но при достаточном сближении двух галактик из-за гравитационного взаимодействия их траектории могут сильно измениться. Так что предсказать траекторию каждой отдельной галактики на длительный промежуток времени вряд ли возможно. Единственное, что природа всегда имеет в неограниченном количестве, это время. Поэтому за время существования данного скопления могут представиться случаи, когда две галактики, сблизившись, будут некоторое время идти параллельным курсом с почти одинаковыми скоростями. При этом ориентация галактик по отношению друг к другу будет произвольной. То есть оси вращения галактик могут быть параллельны, или перпендикулярны, или ориентированы под любым другим углом. Следует также иметь в виду, что каждая галактика помимо движения как единое целое, ещё и вращается вокруг своей оси. Линейная скорость вращения края галактики около 100 км/с.

На рис.3 схематически представлено движение двух галактик с параллельными осями вращения. Магнитное поле более массивной галактики имеет квадрупольную структуру.

Меньшая галактика последовательно проходит позиции 1, 2 и 3. В позициях 1 и 2 галактика движется параллельно силовым линиям магнитного поля, а в позиции 2 - перпендикулярно силовым линиям. На каждом из этих трёх этапов под воздействием магнитного поля большой галактики у меньшей галактики могут формироваться некоторые специфические детали.

На интуитивном уровне возникновение силы, формирующей детали галактик, можно объяснить следующим образом. Галактический газ на 90% состоит из водорода (по числу атомов), поэтому для простоты будем считать плазму чисто водородной. Вдоль магнитного поля заряженная частица движется свободно. При движении перпендикулярно вектору магнитной напряжённости заряженная частица описывает окружность в плоскости, перпендикулярной к магнитному полю (ларморовская окружность). Радиус окружности пропорционален скорости и массе частицы. В момент ионизации атома водорода скорости иона и электрона одинаковы, а масса иона в 1600 раз больше массы электрона. Поэтому у иона радиус ларморовской окружности будет в 1600 раз больше, чем у электрона. Ион и электрон движутся каждый по своей окружности в противоположных направлениях (рис. 4).

В среднем от момента ионизации до рекомбинации ион и электрон проходят путь одинаковой длины. (Рекомбинация - процесс, обратный ионизации, то есть соединение иона и электрона с образованием нейтрального атома). За этот период ион накапливает импульс, перпендикулярный массовой скорости V_{исходное}, на несколько порядков больший, чем аналогичный импульс для электрона. Возникающий таким образом импульс затем статистически перераспределяется между частицами плазмы. На рис. 4 схематически показано, как после передачи импульса, накопленного ионом, массовая скорость плазмы V_{исходное} приобретает новое направление V_новое. Это значит, что к облаку плазмы, как к единому целому, была приложена некоторая сила, перпендикулярная исходной скорости. Она-то и приводит к созданию видимых нами деталей галактик.

Описанная 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 β, массовой скорости V, и напряженности магнитного поля H.

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.

Замечание. Квазилоренцева сила возникает только в том случае, когда плазму можно рассматривать как систему независимых частиц, как в не ионизованном газе. Для этого нужно, чтобы плазма не была замагниченной. Замагниченной называют плазму, в которой электрон за время между двумя рассеивающими столкновениями успевает совершить много оборотов. Проверить плазму на замагниченность можно сравнив длину ларморовской окружности со средней длиной свободного пробега электрона. Расчёты показали, что для условий (1) и (2), характерных для холодных водородных облаков HI, средняя длина пробега электрона по крайней мере на порядок меньше, чем длина его ларморовской окружности. Значит, в межгалактических магнитных полях плазма не замагничена и там всегда будет возникать квазилоренцева сила, действующая на облака газа HI.

Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта, 2 июля - 4 июля - 12 июля - 1 августа 2009 года
3. Автор статьи Л.М. Топтунова
для проекта 'Астрогалактика'