Vііі. Теоретична частина

Дослідження структури нашої Галактики базуються на методах зоряної статистики, які вирішують питання просторового розподілу зір, і методах астрофізичних досліджень розподілу міжзоряної речовини: пилу та газу.

Основні результати цих досліджень дозволили скласти уявлення про будову нашої Галактики і місце розташування Сонця в ній. Для точного визначення положень тих чи інших об’єктів в Галактиці введена галактична система координат, яку ми розглянули в лабораторній роботі “Вивчення основ зоряної статистики”. Сучасні уявлення про будову нашої Галактики виділяють п’ять підсистем в ній (рис. 1): ядро, балдж, диск, гало, корона.

Рис. 1. Підсистеми Галактик: 1 – ядро, 2 – балдж, 3 – диск, 4 – гало, 5 – корона (вигляд в меридіональній площині).

Діаметр диска приблизно 30 кпк. Сонце в Галактиці розташоване поблизу галактичної площини, вище на північ від неї на ~ 17 пк, і на відстані 10 кпк від центра Галактики. Діаметр балджа становить ~ 4 кпк. Диск оточено майже сферично-симетричним гало, радіус якого ~ 20 кпк. Оскільки в галактичній короні дуже мало речовини, то важко визначити її розміри; вони оцінюються до 70 кпк в радіусі.

З іншого боку в Галактиці виділяють плоску складову (ядро, балдж, диск) і сферичну складову (гало і корона). В кожній з вказаних підсистем розрізняють різні типи «населення» – однотипних об’єктів, які мають близький вік, хімічний склад і фізичні характеристики.

До плоскої складової відносять: 1) хмари нейтрального водню, зони НІІ, молекулярний водень; 2) зорі головної послідовності, наднові зорі, довгоперіодичні цефеїди; 3) розсіяні зоряні скупчення.

До гало відносять: 1) планетарні туманності; 2) субкарлики, короткоперіодичні цефеїди; 3) кулясті зоряні скупчення.

Обертання Галактики було вперше розглянуто теоретично в 1959 р. російським астрономом Маріаном Ковальським на основі вивчення власних рухів зір в обсерваторії Казанського університету. Першу спробу визначити кутову швидкість обертання Галактики з аналізу спостережень в Харківський обсерваторії зробив у 1887 р. російський астроном Людвіг Струве на основі уявлень про твердотільне обертання Галактики. У 1925 р. американський астроном Густав Стремберг в обсерваторії Маунт Вілсон виявив дивну асиметрію в русі кулястих зоряних скупчень: усі вони рухаються в напрямі до однієї ділянки Молочного шляху зі швидкостями близькими до 200 км/с. Через рік, у 1926 р. шведський астроном Бертіл Ліндбланд звернув увагу на асиметрію руху зір з великими швидкостями (> 60 км/с) і в русі яких виявляється переважний напрям. З аналізу цього явища Б.Ліндблад зробив висновок, що зоряну систему можна розділити на ряд підсистем, які симетричні відносно однієї і тієї ж осі, але які мають різні швидкості обертання на одній і тій же відстані від цієї осі і тому різною мірою сплюснуті.

Остаточно факт обертання Галактики був доведений у 1927 р. нідерландським астрономом Яном Оортом. Виявилося, що можна оцінити вплив обертання Галактики на величину променевих швидкостей. За променевими швидкостями зір в різних напрямках від Сонця було встановлено два основних рухи Сонця в Галактиці. Перший рух Сонце виконує зі швидкістю ~ 19 км/с відносно близьких зір в напрямі до апекса з координатами  18^h;  30, (сузір’я Геркулеса). Другий рух Сонце виконує зі швидкістю  200 км/с разом з найближчими зорями навколо центра Галактики.

Я.Оорт почав шукати відповідь на питання: які спостереження допомогли би виявити обертання Галактики безпосередньо. Основні відомі типи обертання це: 1) твердотільне і 2) кеплерівське. В першому випадку кутова швидкість = , а лінійна швидкість пропорційна відстані R від осі обертання: . В другому випадку, при кеплерівському обертанні, лінійна швидкість по еліптичній орбіті:

. (1)

Отже,  R^-1/2 і це можливо лише при скупченні всієї маси в центрі системи, що в Галактиці не реалізується. Доводиться констатувати, що в центральних областях Галактики переважає твердотільне обертання, а на її периферії – кеплерівське.

Твердотільне обертання неможливо виявити за променевими швидкостями, бо відстані між будь-якими парами тіл (точок) є незмінними і таке обертання не впливає на променеві швидкості зір. Але твердотільне обертання можна виявити за власними рухами зір , оскільки вони містять складову, пов’язану з однаковою зміною галактичної довготи.

Кеплерівське обертання може бути виявлено безпосередньо за променевими швидкостями, які розглядають для групи близьких до Сонця зір.

Центроїдом Сонця називають групу близьких до нього зір, які займають деякий об’єм простору, геометричний центр якого має швидкість, що прямує до середнього значення швидкостей всіх зір групи. Дослідження променевих швидкостей дозволили виявити, що вони мають нульові значення в напрямі центр (l = 0) – антицентр (l = 180) Галактики і під кутом 90 до цього напряму (рис. 2). Зі сказаного виходить, що зорі центроїда Сонця рухаються разом з ним перпендикулярно до напрямку на центр Галактики.

на центр Галактики

Рис. 2. Вплив обертання Галактики на променеві швидкості зір S, які належать до центроїда Сонця С. – променева швидкість зір, – променева швидкість Сонця, V_r – відносна променева швидкість.

В напрямах, які складають 45 з вказаними вище, променеві швидкості сягають максимальної величини.

В секторі l = 0–90 зоря S₁ розташована попереду Сонця і ближче до центра Галактики, згідно з кеплерівським обертанням, > , тому зоря віддаляється від Сонця; отже, за ефектом Доплера значення відносної променевої швидкості V_{r =} - – додатнє.

В секторі l = 90—180 зоря S₂ розташована попереду Сонця, але вже далі ніж Сонце від центра Галактики, < , тому Сонце наздоганяє зорю і вона наближується; отже V_r має від’ємне значення.

В секторі l = 180–270 зоря S₃ знаходиться позаду Сонця i далі від центра Галактики, < , тому Сонце, рухаючись швидше, віддаляється від зорі, отже V_r має додатнє значення.

В секторі l = 270–360 зоря S₄ знаходиться позаду Сонця, але ближче до центра Галактики, > , тому зоря наздоганяє Сонце, наближується до нього і за ефектом Доплера V_r має від’ємне значення.

Встановлена залежність величини відносної променевої швидкості Vr від галактичної довготи l. Цю залежність називають «подвійна хвиля» (рис. 3).

Рис. 3. Залежність відносної променевої швидкості V_r зір центроїда Сонця від галактичної довготи l

Обертання Галактики має такі особливості:

1. Обертання відбувається за годинниковою стрілкою, якщо дивитися на Галактику з боку її північного полюсу, який лежить в сузір’ї Волосся Вероніки.

2. Кутова швидкість обертання зменшується з віддаленням від центра Галактики, але це відбувається повільніше, ніж мало би бути за законами Кеплера.

3. Центральна частина диска (балдж) обертається майже твердотільно і тому лінійна швидкість V=R росте пропорційно відстані до 250 км/с, потім починає зменшуватися до  200 км/с в околі Сонця і після чого стає майже постійною (рис. 4).

4. Сонце і зорі в його околі здійснюють повний оберт навколо центра Галактики приблизно за 250 млн. років. Цей проміжок часу називається галактичним роком.

Рис. 4. Залежність лінійної швидкості V обертання Галактики від відстані R до галактичного центра. Крива обертання Галактики.

Метод оцінки впливу обертання Галактики на променеві швидкості V_r спостережуваних об’єктів ще в 1927 р. запропонував голландський астроном Ян Оорт, розглядаючи різницю лінійних швидкостей колового обертання центроїда Сонця на відстані R₀ від центра Галактики і деякого іншого центроїда на відстані R і на галактичній довготі l. Ця різниця визначає вплив на променеві швидкості і виражається як:

V_r = R₀( - ₀)sinl, (2)

, (3)

де  – кутова швидкість деякого центроїда, ₀ – кутова швидкість центроїда Сонця (₀ = 25 км/скпк). Галактоцентрична відстань Сонця R₀ = 8,5 кпк. Вираз (3) можна використовувати для об’єктів, розташованих на будь-яких відстанях.

Якщо природно вважати, що  є неперервною функцією відстані і що не всі об’єкти лежать саме в галактичній площині, то:

. (4)

Вираз (4) називається першою формулою Оорта, де r конкретна відстань до об’єкта, що не лежить в галактичній площині, а знаходиться в точці з галактичними координатами l і b.Величина А – І константа Оорта. У виразі (4) присутній ефект подвійної хвилі (V_r  sin 2l), який ми розглянули (рис. 3) вище.

Метод оцінки впливу обертання Галактики на власний рух . Для виявлення змін _l в компоненті власного руху по галактичній довготі Я.Оорт представив вираз:

, (5)

який називають другою формулою Оорта, де В – ІІ константа Оорта.

Зміст константи А Оорта описується виразом:

. (6)

Зміст константи В Оорта описується виразом:

. (7)

Отже, маємо

А – В = ₀. (8)

Тобто, знаючи А і В можна визначити кутову швидкість обертання Сонця. Величину А (4) одержують з аналізу променевих швидкостей, величину В (5) одержують тільки при визначених значеннях _ і _. Найбільш вірогідні значення констант Оорта одержані для плоскої складової Галактики:

Отже з (8) кутова швидкість обертання Сонця:

.

Тоді лінійна швидкість V₀, обертання Сонця навколо центра Галактики буде:

Спіральну структуру Галактики почали досліджувати з 1951 р., коли американський астроном Уільям Морган виявив ознаки спіральних гілок при дослідженні просторового розподілу зір великої світності. Можливості оптичних спостережень обмежені наявністю міжзоряного поглинання, тоді ж як радіоспостереження не обтяжені впливом поглинання і тому дають найбільш достовірну картину будови Галактики. Радіоспостереження, строго кажучи, дають дані тільки про розташування і рух водню в Галактиці. Однак, маючи на увазі, що водень пов’язаний з розташуванням зір і пилу, тому за ознаками його розташування можна робити висновки про загальну будову Галактики.

Перші детальні дослідження розташування нейтрального водню були виконані в м.Лейдені Я.Оортом і інш. в 1954 р., а в 1957 р. було складено каталог профілей ліній  = 21,12 см випромінювання нейтрального водню для  700 точок. Випромінювання в лінії  = 21,12 см пов’язане з надтонкою структурою основного енергетичного рівня водню, який складається з двох підрівнів: верхнього і нижнього. Верхній підрівень відповідає більш високій енергії і відбувається коли спіни протона і електрона паралельні. Вектор момента кількості руху (спін) електрона можна розглядати як вісь його обертання. Якщо ця вісь зорієнтована в тому ж напрямі, що і вектор магнітного моменту протона (ядра), то атом водню є збудженим. Але цей збуджений стан відрізняється від звичайного збудженого стану, в якому атоми можуть знаходитися соті долі мікросекунди, тим, що триває він близько 11 мільйонів років. Тому його називають метастабільним. Якщо протягом цього часу електрон «перевернеться» і відбудеться спонтанна заміна напрямів спінів електрона і протона на протилежні, атом перейде в стабільний стан з меншою енергією. Різниця в енергіях між верхнім і нижнім підрівнями основного енергетичного рівня водню становить:

Е = 5,8610^-6 еВ.

При переході з верхнього на нижній підрівень випромінюється саме ця енергія Е = h, що відповідає довжині хвилі  = 21,12 см.

Дослідження розподілу дифузних хмар нейтрального водню за допомогою радіоспостережень на довжині хвилі  = 21,12 см показали, що ці хмари зосереджують ся в декількох кільцях, точніше спіральних рукавах, що лежать в площині Галактики.

Спіральні рукави названі іменами сузір’їв, в яких вони спостерігаються. Найближчий до центра Галактики рукав названо трикілопарсековим (на відстані 3 кпк). Далі, на відстані 7 кпк від центра в напрямі до Сонця спостерігається рукав Стрільця. На відстані 10 кпк розташовано рукав Оріона, до якого належить Сонце. Далі за Сонцем на відстані 15 кпк від центра Галактики міститься рукав Персея.

ІХ. Акцентні терміни

1. Галактична система координат

2. Підсистеми Галактики

3. Складові Галактики

4. Населення Галактики

5. Два рухи Сонця

6. Твердотільне обертання

7. Кеплерівське обертання

8. Подвійна хвиля

9. Центроїд Сонця

10. Особливості загального обертання Галактики

11. Галактичний рік

12. Крива обертання Галактики

13. Метод Оорта

14. Перша формула Оорта

15. Друга формула Оорта

16. Перша константа Оорта

17. Друга константа Оорта

18. Кутова швидкість обертання Сонця

19. Лінійна швидкість обертання Сонця

20. Метастабільний стан водню

21. Трикілопарсековий рукав

22. Рукав Стрільця

23. Рукав Оріона

24. Рукав Персея