1. Введение. Полный текст статьи находится на http://sceptic-ratio.narod.ru/ko/fridman.htm
Предсказание и открытие новых структур в спиральных галактиках
Фридман А.М.
УФН, т. 117 (2), с. 121 – 148 (февраль 2007)
Представлен обзор опубликованных за последние 20 лет работ, послуживших прогрессу в понимании природы, механизмов возникновения и наблюдаемых особенностей спирально-вихревой структуры в галактиках. Кратко описываются лабораторные эксперименты на установках с вращающейся мелкой водой, специально сконструированных по идее автора в Российском научном центре "Курчатовский институт" для моделирования возникновения спиральной структуры галактик. Обнаружение в результате этих экспериментов новых вихревых антициклонических структур послужило основой для их поиска с помощью крупнейшего в то время в мире (ныне в Европе) 6-метрового оптического телескопа БТА Специальной астрофизической обсерватории РАН. Спустя 7 лет после этих пионерских экспериментов Афанасьеву и автору настоящего обзора с помощью БТА удалось обнаружить предсказанные гигантские антициклоны в галактике Mrk 1040. Позднее были теоретически предсказаны гигантские циклоны в спиральных галактиках, впоследствии также обнаруженные на БТА. Для восстановления (реставрации) трехмерной картины распределения векторов скоростей в диске галактики на основе наблюдаемого поля лучевых скоростей (вдоль луча зрения) автором с сотрудниками был разработан метод решения задачи, относящейся к некорректным задачам астрофизики. Помимо вихревой структуры в галактиках были обнаружены другие новые структуры, в частности медленные бары, также предсказанные ранее теоретически, для чего был разработан специальный наблюдательный тест, позволяющий отличать медленные бары от исследованных ранее обычных (быстрых) баров.
Как показали астрофизические исследования последних десятилетий, большинство эволюционных процессов, происходящих в Метагалактике, связано с коллективными эффектами. Различные неустойчивости, развивающиеся на всех масштабах иерархии структур во Вселенной, являются основной движущей силой эволюции.
Царица неустойчивостей — гравитационная неустойчивость создала всю наблюдаемую иерархию структур — от звезд и звездных скоплений до галактик и скоплений галактик. В каждом из масштабов функционируют специфические неустойчивости, создающие в системах этого масштаба собственные структуры.
Уникальным природным полигоном, на котором бурно развивается большинство из известных в Метагалактике неустойчивостей, приводящих далее к созданию регулярных структур, стационарных конвективных потоков, турбулентности и хаосу, являются астрофизические диски, среди которых особое место занимают диски спиральных галактик.
Богатство структур, наблюдаемых в дисках спиральных галактик, является следствием многочисленных развивающихся в этих дисках коллективных процессов, как линейных, так и нелинейных. Большинство из них встречается в астрономических объектах других масштабов, но не всегда столь явно себя проявляет, как в спиральных галактиках — уникальной природной лаборатории коллективных явлений. Некоторые из этих неустойчивостей изучаются также в физике, механике и математике. Именно поэтому нам кажется, что изложенные в настоящем обзоре наблюдательные и теоретические открытия последних лет являются важными и интересными для широкого круга астрономов, физиков, механиков и математиков.
Работа "Предсказание и открытие новых структур в спиральных галактиках", удостоенная Государственной премии РФ в 2003 г., представляет собой цикл работ, который был начат более 30 лет назад (в 1972 г.) и выполнялся под руководством автора обзора. Творческий коллектив включал в себя наблюдателей, интерпретаторов астрономических данных, теоретиков и экспериментаторов, объединенных выполнением единой научной задачи.
Новые структуры, предсказанные и открытые этим коллективом, — это гигантские вихри (циклоны и антициклоны) и медленные бары в спиральных галактиках. Вихри были обнаружены в двумерном поле скоростей газовых дисков спиральных галактик. Для доказательства существования медленных баров необходимо было построить кривую вращения газового диска с учетом движения газа в тех же крупномасштабных вихрях. Таким образом, для открытия упомянутых выше галактических структур потребовались измерения и анализ поля лучевых скоростей в плоскости галактических дисков.
До начала работы над данной проблемой на 6-метровом телескопе БТА (Большой телескоп азимутальный) Специальной астрофизической лаборатории (САО) РАН измерения полей скоростей галактик производились с помощью спектрографа с длинной щелью. Сложение результатов измерений, полученных при различной ориентации щели, приводило к погрешностям, не позволяющим достичь необходимой точности оценки систематических отклонений скоростей газа от ожидаемых при круговых движениях в галактике.
В САО РАН совместно с Марсельской обсерваторией (Франция) был создан комплекс аппаратуры, включающий интерферометр Фабри-Перо, для высокоточных измерений полей скоростей газа галактик по доплеровскому смещению эмиссионных линий с точностью не хуже 10 км с –1. Подобной аппаратуры до этого в России не существовало. Только с ее помощью и могли быть сделаны открытия новых галактических структур.
В настоящем обзоре изложены некоторые детали предсказания и открытия новых структур в спиральных галактиках, дано описание ряда научных проблем, которые потребовалось решить на этом пути, представлены перспективы в понимании физики галактики.
В данном обзоре мы старались по возможности избегать специальной терминологии и сложных математических выкладок. Более строгое изложение можно найти в оригинальных статьях, указанных в списке литературы.
2. Экспериментальное моделирование генерации спиральной структуры галактик и предсказание гигантских антициклонов
Вихри между спиралями, удивительно напоминающими спиральные рукава галактик, впервые были обнаружены на настольной установке с вращающейся "мелкой водой", которая была создана в Российском научном центре "Курчатовский институт" E.H. Снежкиным специально для моделирования процесса генерации спиральных рукавов галактик и потому получила название "Спираль" (рис. 1а, б). В первой модификации этой установки центральная часть имеет форму конуса при почти плоской периферийной части, во второй — обе части выполнены в виде параболоидов. Жидкость вовлекается дном во вращение, между центральной частью и периферией в жидкости образуется скачок скорости вращения с радиусом R и шириной близкой к глубине жидкости H0. В результате слой мелкой воды приобретает скачок на радиальном профиле скорости вращения (рис. 1в), имитирующий скачок на кривой вращения галактики, способный вызвать генерацию (в результате гидродинамической неустойчивости) спиральных волн плотности. Это позволило использовать установку "Спираль" для моделирования динамических процессов в газовом галактическом диске со скачком скорости вращения.
 
Рис. 1. Первая (а) и вторая (б) модификации установки "Спираль": 1 — центральная часть, вращающаяся с угловой скоростью обнаружим часть, вращающаяся с угловой скоростью Ω1, 2 — наружная часть, вращающаяся с угловой скоростью Ω2, 3 — слой мелкой воды; на рис. а: D = 30 см, R = 4 см; на рис. б: D = 60 см, R = 8 см. Схематические изображения радиальных профилей с сильным скачком скорости вращения мелкой воды (в) и газового галактического диска (г): сплошные кривые соответствуют линейной скорости вращения, штриховые — угловой. Антициклоны (д) между спиральными волнами плотности на мелкой воде установки "Спираль": трем спиральным рукавам соответствуют три антициклона.
Перед экспериментаторами ставилась задача проверить возможность генерации спиральных волн плотности гравигидродинамической неустойчивостью, которая в реальных галактиках может быть связана с наблюдаемыми во многих случаях быстрыми локальными падениями (скачками) скорости вращения газа в галактиках, хорошо заметными на кривых вращения галактик, полученных ранее на БТА [1]. Схематически сильный скачок скорости изображен на рис. 1г. Из наблюдений следовало, что (с учетом углового разрешения телескопа) около половины спиральных галактик имеют относительные скачки скорости Δv/v на кривой вращения не менее 10 — 15%. Однако, как показали численные расчеты Баева и Фридмана [2], в механизме образования спиральных рукавов в газовых дисках галактик с такими скачками скорости гидродинамические эффекты играют не менее важную роль, чем гравитационные.
Такая точка зрения на природу возникновения спиральных рукавов в галактиках, высказанная автором в 1972 г. (см. [3] и цитированную там литературу), отличалась от точки зрения чисто "гравитационной" теории генерации спиральных рукавов, принимающей во внимание лишь силы самогравитации [4]. В гравитационной теории не учитывались наблюдаемые (порой весьма значительные!) градиенты основных параметров диска.
Прежде всего на установке "Спираль" была проверена справедливость основных положений гравигидродинамической теории спиральной структуры: связь относительной величины скачка скорости вращения Δv/v и относительного размера пространственной области его локализации ΔR/R с числом генерируемых спиральных рукавов. Для этого на установке был создан скачок скорости вращения, имитирующий наблюдаемые скачки на кривых вращения галактик (рис. 1в). Вращающаяся на установке мелкая вода описывается уравнениями двумерной газодинамики [5]. В этом состоит динамическое родство вращающейся мелкой воды с газовым диском спиральных галактик, что и послужило отправной идеей для моделирования. (Строго говоря, теоретической основой для моделирования являлась тождественность динамических уравнений газового самогравитирующего диска и вращающейся мелкой воды [6, 7].)
Результаты модельного эксперимента на мелкой воде [8] не только подтвердили правильность гравигидродинамической теории генерации спиральной структуры, но и привели к неожиданным и оригинальным решениям некоторых вопросов, связанных с такими особенностями спиральной структуры, как ветвление рукавов и редко наблюдаемые "лидирующие" спирали. Более того, они дали и нечто принципиально новое: между спиральными рукавами на мелкой воде были обнаружены антициклонические вихри [9] (рис. 1д). Значит, такие вихри должны наблюдаться и в реальных спиральных галактиках! Почему же их не могли обнаружить в течение всего времени изучения спиральной структуры, т.е. в течение более чем полутора столетий? Постараемся ответить на этот вопрос, обратившись к истории исследований спиральных галактик.
2.2. Гравигидродинамическая концепция генерации спиральных рукавов
Гравигидродинамическая концепция [3, 6, 13], включающая в себя гравитационную концепцию как частный случай, учитывает силу самогравитации, а также градиенты основных невозмущенных параметров — плотности и скорости вращения, которыми в чисто гравитационной концепции пренебрегается. На рисунке 2а, б изображены радиальные профили линейной скорости вращения и поверхностной плотности для нашей Галактики. Относительная величина скачка скорости вращения в центральной области газового диска) на расстоянии от 0,4 кпк до 1,2 кпк от центра) составляет примерно 40 %, а величина скачка поверхностной плотности газа в области максимального градиента скорости (на расстоянии примерно 0,7 кпк от центра) составляет почти два порядка. Как можно пренебрегать такими градиентами, если в этом случае гидродинамическая неустойчивость оказывается намного сильнее гравитационной?
Рис. 2. (а) Профиль наблюдаемой скорости вращения нашей Галактики с двумя скачками скорости [14]: один из них, больший, максимум отрицательной производной скорости которого локализован на 0,7 кпк, находится недалеко от центра, другой, более удаленный, принадлежит солнечной окрестности, (б) Профиль плотности в газовом диске нашей Галактики; М0 — масса Солнца, равная 1,989 х 10 30 кг. (в) Кривые вращения различных галактик, имеющих скачок скорости вращения, построенные по данным ранних наблюдений на БТА.
Членами нашего коллектива были проведены исследования кривых вращения (т.е. зависимостей скорости вращения от радиуса) спиральных галактик на 6-метровом телескопе [1]. Как отмечалось выше, из произвольной выборки спиральных галактик примерно в половине случаев на кривой вращения наблюдаются скачки скорости, превышающие 10 – 15%. На рисунке 2в изображены профили вращения некоторых галактик. Такие скачки скорости могут приводить к развитию центробежной неустойчивости [6, 8, 9, 13], генерирующей спиральные волны плотности — спиральные рукава галактик.
Центробежная неустойчивость относится к классу неустойчивостей сдвиговых течений. Как правило, необходимым условием роста крупномасштабных возмущений в таких неустойчивостях является условие kL < 1, где k — волновой вектор возмущений вдоль скачка скорости, L — ширина "размазки" сдвигового течения. Так как k = 2π/λ, где λ — длина волны возмущения, то условие неустойчивости означает малость ширины сдвигового течения L по сравнению с длиной волны. В результате неустойчивости величина L "размывается" до тех пор, пока не будет достигнута граница устойчивости, при которой могут существовать лишь волны, удовлетворяющие условию
kφ L = 1, (1)
здесь kφ — азимутальное волновое число (в диске галактики координата вдоль скачка скорости — это азимутальный угол φ). По определению
kφ = m/R, (2)
где m — число рукавов галактики, R — радиус, на котором происходит скачок скорости.
Если теперь ввести параметр q = Ω2/Ω1 где Ω1, Ω2 — угловые скорости вращения центра и периферии галактики (до и после скачка скорости соответственно), то, очевидно, величина "размазки" L будет тем больше, чем больше скачок угловой скорости вращения, т.е. чем меньше параметр q. Качественно такую зависимость можно записать в виде
L ~ Aq –α, α > 0, (3)
здесь A — некоторая постоянная.
Подставляя (2) и (3) в (1), получаем качественную зависимость между числом рукавов и безразмерной величиной скачка скорости q:
m ~ Rq –α/A, α > 0. (4)
Соотношение (4) означает, что чем больший скачок скорости имеет галактика (т.е. чем меньше величина q), тем меньше у нее рукавов.
В гравигидродинамической теории получена точная формула связи между m и q, корректность которой была проверена как для спиральных галактик с известными кривыми вращения, так и в эксперименте с вращающейся мелкой водой. Однако прежде, чем перейти к эксперименту, мы должны убедиться в том, что он действительно является "модельным" для процесса генерации спиральных рукавов галактик в рамках гравигидродинамической концепции. В таком случае естественно возникает вопрос, который вынесен в заголовок раздела 2.3.
2.3. Что общего между установкой "Спираль" и газовым диском галактики?
Со ссылкой на замечательную книгу Гидродинамика [5] Ландау и Лифшица мы уже отмечали одно общее свойство мелкой воды и газового галактического диска. Однако можно указать и два принципиальных различия.
Первое состоит в том, что установка "Спираль" имеет дно, из-за чего мелкая вода испытывает придонную вязкость, характеризующуюся числом Экмана. Ничего подобного, очевидно, нет у газового галактического диска. С другой стороны, в галактическом диске действуют силы самогравитации, отсутствующие в мелкой воде установки "Спираль".
В работе [6] показано, что оба этих "принципиальных" различия оказываются иллюзорными. Во-первых, число Экмана на установке "Спираль" является малым, т.е. мала придонная вязкость. Однако главным, пожалуй, оказывается то, что время вязкого затухания возмущений на мелкой воде "Спирали" много больше времени развития центробежной неустойчивости. Другими словами, придонная вязкость не оказывает влияния на процесс генерации (в результате развития неустойчивости) спиральных волн плотности на мелкой воде. С другой стороны, не будь вообще придонной вязкости, мы не смогли бы столь простым способом заставить вращающуюся жидкость сформировать нужный нам профиль скорости кругового вращения со скачком. В спиральных галактиках профиль скорости вращения газового диска создается гравитационным потенциалом, в основном звездных подсистем, как значительно более массивных (см., например, [15]). В этом смысле звездные подсистемы в создании кривой вращения газового диска играют ту же роль, что и дно в установке "Спираль". Что касается роли вязкости при генерации спиральных рукавов реальных галактик в газовом диске, то она пренебрежимо мала как при развитии центробежной неустойчивости, вызванной градиентом скорости, так и при гравитационной неустойчивости в отсутствие заметных градиентов скорости. В отсутствие выше названных неустойчивостей вязкость может приводить к образованию структур, что имеет место, например, в кольцах планет [14]. Однако мы не знаем случая генерации за счет вязкости крупномасштабных спиральных рукавов в галактике.
Обратимся теперь ко второму "фундаментальному" различию мелкой воды и газового галактического диска, связанному с наличием в последнем сил самогравитации. В работе [6] в систему исходных динамических уравнений для самогравитирующего газового диска была введена новая величина — скорость звука в самогравитирующей среде. Эта величина меньше скорости звука в среде несамогравитирующей, поскольку упругие свойства газа — способность расширяться при начальном сжатии газового элемента — ухудшаются в самогравитирующей среде: сжатый элемент удерживается гравитационными силами. Уравнения для галактического диска при замене скорости звука в самогравитирующем газе характерной скоростью распространения волны на мелкой воде превращаются в уравнения для мелкой воды.
Из выше изложенного следует, что установка "Спираль" с вращающейся мелкой водой действительно может использоваться для лабораторного моделирования процесса генерации спиральной структуры в газовом галактическом диске, вызванного развитием гидродинамической неустойчивости из-за наличия градиента скорости вращения.
2.5. Моделирование генерации спиральной структуры галактик на установке "Спираль"
2.5.1. Установки "Спираль" и диагностика. Обе модификации установки "Спираль" имеют одинаковую принципиальную схему — круглый сосуд, состоящий из двух частей: "центральной части" и "периферии", причем центральная часть может вращаться независимо от периферии. В первой модификации центральная часть имеет форму конуса, а периферийная часть практически плоская (рис. 1а). Во второй модификации (рис. 1б) обе части состоят из двух параболоидов с размерами вдвое большими соответствующих размеров первой модификации. Жидкость вовлекается дном во вращение, между центральной частью и периферией в жидкости образуется на радиусе R скачок скорости вращения с начальной шириной, близкой к глубине жидкости H0. В результате слой мелкой воды имеет скачок на радиальном профиле скорости вращения (рис. 1в). Используемая на "Спирали" диагностика дает возможность определить как структуру волн плотности, так и поле возмущенных скоростей мелкой воды.
В сосуд с белым дном наливается зеленый раствор; при черно-белом фотографировании через красный светофильтр участки "горбов" волн плотности выглядят темнее участков "впадин". Поле скоростей определяется по направлению и длине треков (за время экспозиции) плавающих на поверхности жидкости бумажных кружков диаметром 1–2 мм. Фотоаппарат вращается с регулируемой угловой скоростью, при этом ось его вращения совпадает с осью вращения "Спирали". Подробнее установки "Спираль", диагностика и эксперименты на мелкой воде описаны в [20].
2.5.2. Связь между числом рукавов и величиной скачка скорости. Согласие гидродинамической теории генерации спиральной структуры с результатами модельного эксперимента демонстрируется на рис. 4а, где мы видим, что в соответствии с формулой (4) число спиральных рукавов увеличивается с возрастанием параметра q.
2.5.3. Отстающие и лидирующие спирали. Различные виды спирального узора галактик характеризуются не только числом спиральных рукавов, но и своей формой. Прежде всего различают "отстающие" и "лидирующие" спирали (рис. 4б, в). Первые вращаются концами назад и поэтому имеют хорошую "аэродинамическую" форму. Подавляющее большинство спиральных рукавов относится к отстающим спиралям.
  Рис. 4. Спиральные волны плотности (а), генерируемые на мелкой воде установки "Спираль" центробежной неустойчивостью вследствие скачка скорости q = Ω2/Ω1 < 1, где Ω1 и Ω2 — угловые скорости вращения центральной части и периферии соответственно; с уменьшением скачка скорости (увеличением параметра q) число спиральных рукавов возрастает (см. формулу (4)) (увеличение q слева направо). Схематические изображения отстающих (б), лидирующих (в) спиралей (стрелкой указано направление вращения диска галактики) и возможного механизма возбуждения (г) лидирующих спиралей.
|
