Газові хмари та спіральна структура Галактики

— Такое впечатление, будто об­лако летит… как пуля в мишень

Приступая к анализу движения вещества в Галак­тике, теоретик должен решить, какой формализм он будет использовать в каждом конкретном случае. По­скольку звезды очень малы по сравнению с Галактикой и практически никогда не сталкиваются друг с другом, для описания их движения используются уравнения ди­намики материальной точки: свободная звезда движется под действием гравитационного поля Галактики. Те же уравнения годятся для описания движения звездных скоплений. А как быть с межзвездной средой, заполня­ющей весь объем Галактики и имеющей крайне неод­нородную структуру? В рамках какого формализма опи­сывать ее движение? Этот вопрос особенно важен для разгадки природы спиральных рукавов.

До 1975 г. исследователи спиральной структуры Га­лактики могли считать межзвездную среду газом и при­менять для анализа ее движения уравнения газодина­мики. Действительно, в те годы считалось, что основная часть диффузного вещества сосредоточена в облаках HI массой от 1 до 10³ Мс, имеющих средний радиус 5 пк и распределенных в пространстве на взаимном расстоя­нии порядка 30 пк. Двигаясь с хаотической скоростью около 10 км/с, облака испытывают взаимные столкнове­ния через промежуток времени порядка 10⁷ лет, пролетая между столкновениями около 150 пк. Последнюю величи­ну физики называют длиной свободного пробега и спра­ведливо считают, что если она много меньше, чем ха­рактерный масштаб описываемых явлений, то для ана­лиза движения всей совокупности взаимодействующих частиц (в нашем случае — облаков) можно применять уравнения газодинамики, т. е. считать вещество непре­рывной средой. Поскольку толщина спиральных рукавов составляет 1—2 кпк, для облаков HI это условие вы­полняется. Поэтому в теориях спиральной структуры, развитых в 70-е годы, при описании межзвездной сре­ды использовался газодинамический подход.

После обнаружения ГМО выяснилось, что основная масса межзвездного вещества (во всяком случае, внутри орбиты Солнца) заключена в компактных и массивных облаках, которые практически не взаимодействуют друг с другом и с межоблачной средой. Действительно, ха­рактерное время лобового столкновения массивных ГМО с себе подобными составляет около 10⁹ лет, что, по-видимому, превышает время их жизни. За это вре­мя в сопутствующей системе отсчета (т. е. относительно окружающих облаков и звезд диска) ГМО успевает пролететь несколько килопарсек — это и есть его дли­на свободного пробега. Относительно спирального узо­ра Галактики, который внутри орбиты Солнца отстает от вращения галактического диска, ГМО успевает сво­бодно пролететь десятки килопарсек и несколько раз пересечь спиральные рукава. Конечно, если это позво­лит ему время собственной жизни.

Следовательно, в динамическом отношении ГМО ве­дут себя как материальные точки. Значит, их распреде­ление в диске Галактики должно быть подобно распре­делению звезд? Но ведь из наблюдений известно, что основная масса звезд слабо концентрируется к спиральным рукавам, в то время как межзвездное вещество явно предпочитает рукава. В чем же тут дело?

Причин несколько. Спиральный рукав обладает не­большим избыточным притяжением по сравнению с межрукавным пространством: его гравитационный по­тенциал на 5—10% больше потенциала соседних обла­стей диска. Поэтому быстро движущиеся звезды почти? не замечают рукавов, а более спокойная газовая среда концентрируется в них, как в потенциальной яме. При попадании в эту яму скорость элементов газа изменя­ется на дельта v примерно v_круг– (5—10)% =220 км/с-(0,05—0,1) = 10— 22 км/с. Это больше, чем скорость звука в межзвездном газе (< 10 км/с), поэтому такие возмущения скорости вызывают ударную волну, уплотняющую газ в десятки раз.

ГМО в определенном смысле ведут себя как частицы газа (только очень массивные!). Скорость их хаотиче­ского движения в спиральном рукаве увеличивается, они чаще сталкиваются друг с другом, сильнее взаимо­действуют с окружающим уплотненным газом и вмо­роженным в него магнитным полем. В результате плот­ность числа ГМО в спиральных рукавах также увели­чивается в 2—3 раза (см. рис. 4 в брошюре: Лам­зин С. А., Сурдин В. Г. Что такое протозвезды? — М.: Знание, 1988).

Но не менее важным является и то, что при попа­дании в спиральный рукав ГМО включаются в процесс звездообразования, или, точнее, процесс звездообразо­вания включается в них самих. Происходит это пото­му, что взаимные соударения, во-первых, вызывают сли­пание ГМО и рост их массы, а во-вторых, уплотняют в них вещество.

Рождение массивных звезд в облаке увеличивает его температуру — именно поэтому появляется «теп­лая» популяция ГМО, сосредоточенная в спиральных рукавах. Если звездообразование началось на краю об­лака — а при столкновениях, вероятно, так и бывает,— то там образуется область НИ, легко наблюдаемая в оптическом диапазоне. Все это вместе приводит к за­метному выделению спиральных рукавов на диске Га­лактики, несмотря на то, что в самих рукавах вещества не намного больше, чем в соседних областях диска.

Более подробно о процессе звездообразования в спиральных рукавах и о его связи с ГМО можно прочитать. в брошюре Ю. Н. Ефремова «Новый взгляд на Га­лактику» (М.: Знание, 1989). В ней приводится много наблюдательных примеров тех физических процессов, о которых говорится в нашей брошюре.

• ← Перепис хмар
• Внутрішня структура гігантських молекулярних хмар →