Каков бы ни был механизм, вызвавший начало коллапса галактических масс газа и последовавшее за этим образование галактик, по морфологическим формам галактик мы почти не можем давать каких-либо выводов о характере этого коллапса. Галактики отличаются большим разнообразием форм, и не исключено, что причиной этого являются незначительные различия в распределении угловых моментов движения первоначально коллапсировавших облаков газа.
Можно начать с эллиптических галактик, характеризующихся почти сферично-симметричным распределением звезд в пространстве. Подобное распределение возможно только при условии, что звезды имеют почти радиальные орбиты. Такие звезды проходят близ центра своих галактик, а затем удаляются от центра на значительные расстояния. Общий угловой момент движения таких галактик очень невелик. С увеличением общего углового момента галактики степень сплющенности ее растет. Когда система звезд становится достаточно уплощенной, в центральной плоскости галактики начинают появляться газ и межзвездная пыль, а в ходе дальнейшего увеличения сплющенности количество газа и пыли еще более возрастает. Очевидно, звезды в таких галактиках имеют почти круговые орбиты, и, конечно, звезды, образовавшиеся из газа и пыли, должны иметь почти круговые орбиты, лежащие в центральной плоскости галактики.
Системы, в которых газ и пыль присутствуют в больших количествах, характеризуются обычно наличием спиральных рукавов. Они становятся все более заметными, так как спиральные рукава являются местом образования звезд в таких галактиках, и горячие массивные голубые звезды ясно отмечают положение рукавов. Кривизна спиральных рукавов и число их оборотов вокруг центра галактики заключены в широких пределах.
В некоторых галактиках распределение звезд в центральной области — почти сферическое, а в других образуется вытянутая перемычка. Центральные полосы спиральных галактик с перемычками, по-видимому, образовались вследствие особенностей распределения углового момента поступающего извне газа. Если такой газ, приняв форму диска, вращается примерно с постоянной угловой скоростью, то, не обладая достаточной устойчивостью, он неизбежно деформируется и принимает вид перемычки.
Некоторые галактики совсем не имеют сильной концентрации звезд к центру. Такие системы характеризуются высоким отношением количества газа к звездам и называются неправильными галактиками.
Рассмотрим сначала некоторые характеристики спиральных галактик. Мы располагаем наиболее полными знаниями о галактиках этого типа, так как наша собственная Галактика, очевидно, представляет собой типичную спиральную галактику.
Время, необходимое для того, чтобы первоначальный галактический газ коллапсировал из объема пространства, занимаемого в настоящее время галактическим гало (короной) , и образовал диск, составляет около 2 • 108 лет. Эта величина получена на основе неизбежно грубых расчетов, так как первоначальный объем, занимаемый газом в начале коллапса, мог значительно превышать объем, который занимают звезды в настоящее время в почти сферическом галактическом гало. Естественно поэтому предполагать, что звезды галактической короны образовались в результате конденсации газа на стадии коллапса. Движения звезд галактической короны характеризуются наличием больших радиальных компонент.
Обилие тяжелых элементов в звездах галактической короны обычно в три раза меньше, чем на Солнце, и лишь в некоторых крайне редких случаях в несколько сотен раз. Маловероятно, что коллапсирующий газ имеет достаточно времени для образования первоначальной популяции звезд, в которых могли бы в процессе развития образоваться путем ядерного синтеза тяжелые элементы, выбрасываемые при вспышках сверхновых звезд обратно в коллапсирующий газ, вслед за чем могло последовать образование второго поколения звезд, содержащих тяжелые элементы. Таким образом, присутствие в этих звездах тяжелых элементов может служить аргументом в пользу существования стадии догалак-тического звездного ядерного синтеза.
После того как газ принял форму диска, происходило образование звезд с почти круговыми орбитами в плоскости диска. После образования такой звезды ее орбита может подвергаться гравитационным возмущениям в результате сближения с другими звездами, скоплениями звезд или облаками межзвездного газа. Вследствие таких возмущений, по мере старения, звезда может отклоняться на все более значительные расстояния от центральной плоскости галактики. Более старые звезды, относящиеся к населению диска на
шей Галактики, имеют распределение по расстояниям от центральной плоскости галактики, соответствующее толщине порядка 400 парсек. Звезды же, образовавшиеся в более близкие к нам эпохи развития галактики, ограничены меньшей толщиной, порядка 200 парсек.
Наиболее разработанной количественно и самой перспективной современной теорией спиральных рукавов является, по-видимому, теория волны плотности. Согласно этой теории, звезды в галактическом диске могут в течение длительного времени под действием гравитационных сил группироваться. Такое гравитационное сгущение, или волна плотности, начинает распространяться через распределение звезд в диске галактики со скоростью, примерно равной половине скорости обращения самих звезд. Например, можно ожидать, что на расстоянии Солнца от центра галактики такая звезда, как Солнце, затратит около 108 лет на перемещение от одного спирального рукава до другого, а затем еще 108 лет на перемещение в пределах следующего спирального рукава. К концу своего перемещения она совершит один оборот вокруг центра галактики. Это относится к простой модели спиральной галактики с двумя рукавами. В действительности модель нашей Галактики может оказаться несколько более сложной.
Для того чтобы понять, как происходит образование звезд в пределах нашей Галактики в настоящее время, необходимо прежде всего рассмотреть некоторые свойства межзвездной среды. Межзвездное вещество включает газ и пыль, расположенные между звездами. Пыль состоит из мелких твердых частиц размером несколько менее микрона и сильно перемешана с межзвездным газом. Именно присутствием межзвездной пыли объясняется интенсивное поглощение света звезд в некоторых направлениях в нашей Галактике, проявляющееся в виде темных пятен на фотографиях отдельных участков Млечного Пути.
Состав межзвездного газа близок к составу Солнца. Около 3/4 его массы составляет водород, около 1/4— гелий и лишь около 1,5%—тяжелые элементы, в большинстве случаев сконденсированные в межзвездные пылинки.
При облучении атомов межзвездного водорода электромагнитным излучением с энергией фотонов выше 13,6 эв может произойти ионизация водорода. Рассмотрим водород, находящийся вблизи очень горячей, массивной звезды высокой светимости. Благодаря высо
кой температуре на поверхности такой звезды большая часть излучаемой ею энергии будет приходиться на ультрафиолетовую область спектра. Большинство излучаемых ею фотонов могут обладать энергией, близкой к 13,6 эв и выше. Поэтому под действием мощного потока ультрафиолетового излучения водород, находящийся по соседству со звездой, очень быстро ионизируется.
Рассмотрим теперь окружающее такую звезду непрерывное водородное облако большой протяженности. Под действием ультрафиолетового излучения в нем происходит ионизация ближайших к звезде масс водорода. Ионизированный водород перестает поглощать излучение звезды, которое начинает проникать все дальше в окружающее пространство, ионизируя на своем пути новые массы водорода. Если бы ионизированный водород продолжал оставаться в состоянии ионизации, то описанный процесс мог бы продолжаться бесконечно долго и можно было бы ожидать, что звезда будет ионизировать газ на неопределенно большом расстоянии.
Однако водород не остается в ионизированном состоянии неограниченно долгое время. В нем происходят непрерывные процессы рекомбинации, вновь возвращающие его в нейтральное состояние. Атомы такого нейтрального водорода тоже не остаются нейтральными неопределенно долгое время, так как под действием ультрафиолетового облучения они снова ионизируются. Однако чем больше расстояние, на котором происходит ионизация звездой окружающего ее водорода, тем больше область, в которой одновременно происходит рекомбинация водорода. В ходе этого процесса происходит ослабление интенсивности ультрафиолетового излучения, распространяющегося все далее по мере ионизации нейтрального водорода.
Таким путем достигается естественный предел дальности ионизации водорода звездным светом. Этот предел достигается тогда, когда общее число нейтральных атомов водорода, ионизирующихся в каждую секунду, становится равным общему числу атомов водорода, рекомбинирующих в нейтральное состояние в каждую секунду. В результате вокруг такой горячей звезды может образоваться сфера ионизированного водорода с очень резким переходом от ионизированного водорода к нейтральному на поверхности сферы.
Поглощение нейтральным водородом фотонов ультрафиолетового излучения приводит к нагреву образующегося при этом ионизиро
ванного водорода. Большинство поглощаемых фотонов обладает энергией, несколько большей, чем 13,6 эв. Поэтому в процессе поглощения на расщепление атома водорода затрачивается 13,6 эв, а остальная энергия превращается в кинетическую энергию высвобождающихся при этом протона и электрона. Эта избыточная энергия быстро распределяется между другими участвующими в процессе частицами, вызывая сильный нагрев ионизированного газа.
Охлаждение ионизированного газа может происходить тоже по-разному. Типичным можно считать процесс, при котором происходит столкновение между протоном и электроном с излучением фотона, но без рекомбинации протона и электрона. При этом уходящий от протона электрон обладает меньшей кинетической энергией, чем во время сближения. Образовавшийся при этом фотон обычно свободно покидает зону своего образования, унося с собой часть тепловой энергии зоны.
Приход энергии в зоне ионизированного водорода ограничен числом излучаемых горячей звездой фотонов, которые могут поглощаться нейтральными атомами водорода рассматриваемой зоны. С другой стороны, скорость эмиссии, вызываемой столкновениями протонов и электронов, быстро возрастает с увеличением температуры, следовательно, при некоторой температуре достигается равновесие, когда скорость поступления энергии в результате поглощения ультрафиолетовых фотонов становится равной скорости излучения энергии, высвобождающейся при столкновении протонов с электронами. Температура, при которой устанавливается равенство между поглощаемой и излучаемой энергией ионизированного водородного газа, составляет около 10 000° К.
Таким образом, в области межзвездной среды, где водородный газ нейтрален, ультрафиолетовый спектр звездного света обрезается по уровню энергии, несколько превышающему 13,6 эв,— уровню потенциала ионизации водородного атома. Фотоны с энергией, превышающей этот предел, доглощаются ионизированным водородом в зоне ионизации.
В области нейтрального водорода происходит ионизация некоторых элементов с потенциалом ионизации ниже 13,6 эв, в том числе всех тяжелых элементов. Помимо водорода, основными элементами, которые не подвергаются ионизации, являются гелий, азот, кислород и неон. Около 3/4 ионов, содержащих
в области нейтрального водорода, — ионы углерода.
Процессы ионизации, происходящие в областях нейтрального водорода, служат также источником тепловой энергии для этих областей, однако в значительно меньшей степени, чем для ионизированных областей. В областях нейтрального водорода протекают различные процессы охлаждения, связанные со столкновением электронов, ионов, нейтральных атомов, молекул и межзвездных пылевых частиц. Такое охлаждение происходит при столкновениях, в результате которых одна из частиц переходит в более высокое энергетическое состояние, что может сопровождаться девозбуждением путем излучения и выходом излучения за пределы области нейтрального водорода. Равновесие между нагревом и охлаждением газа наступает при температуре около 100° К, а в более плотных областях нейтрального водорода при несколько меньшей температуре.
Давление газа пропорционально его плотности и температуре. Рассмотрим пограничные зоны областей нейтрального и ионизированного водорода. Если бы плотность частиц в этих областях была одинаковой, то давление в ионизированной области превышало бы давление в нейтральной области примерно в 100 раз, и в результате такого дисбаланса давлений газы пришли бы в бурное динамическое движение. Равенство давлений могло бы быть достигнуто, если бы плотность области ионизированного водорода была в 100 раз меньше, чем плотность области нейтрального водорода, т. е. обратно пропорциональна температурам этих областей. Можно считать, что межзвездная среда всегда и всюду стремится к такому равновесию, при котором плотность областей ионизированного водорода в общем намного ниже, чем плотность областей нейтрального водорода. Однако образование звезд и вспышки сверхновых постоянно вносят изменения в местные скорости поступления тепловой энергии в межзвездную среду, поэтому процесс перестройки конфигурации, связанный с выравниванием давлений, происходит непрерывно, приводя к значительным динамическим перемещениям газа в межзвездной среде.
Предполагается, что в межзвездной среде количества водорода в ионизированном и нейтральном состоянии сравнимы. Поскольку плотность ионизированного газа намного меньше, чем плотность нейтрального газа, очевидно, что нейтральный газ будет занимать малую долю объема межзвездной среды.
Происходящее при этом скопление нейтрального водорода позволяет описывать межзвездную среду как состоящую из облаков нейтрального водорода, включенных в ионизированную область.
Описанная схема весьма упрощена, так как существуют и другие источники ионизации межзвездной среды, например космические лучи и мягкие рентгеновские лучи. Эти источники могут лишь повлиять на детали приведенной выше картины, не изменяя наиболее существенных ее характеристик.
В типичном межзвездном облаке силы собственного притяжения, стремящиеся сжать облако, обычно намного слабее сил теплового давления, стремящихся расширить облако. Расширению препятствует давление, существующее в окружающей среде (меньшей плотности) и равное давлению в облаке. Наличие давления во всей межзвездной среде обусловливается тем фактом, что газ удерживается полем общего гравитационного потенциала галактики. Таким образом, при нормальных условиях нет тенденции к сжатию какой-либо части межзвездной среды, а следовательно, и отсутствуют условия для образования звезд.
Рассмотрим последовательность процессов, совершающихся при поступлении газа межзвездной среды в спиральный рукав. Поскольку спиральный рукав представляет собой сосредоточение звезд, образующих гравитационную потенциальную яму, газ при входе в рукав претерпевает ударное замедление, нагреваясь при этом и уплотняясь. Межзвездное магнитное поле, силовые линии которого связаны с ионами, находящимися в межзвездном газе, и перемещаются вместе с газом, также сжимается и усиливается вследствие ударного эффекта при вхождении в спиральный рукав. Очевидно, при этом в конфигурации магнитного поля возникает неустойчивость, причем крупные участки поля становятся плавучими и начинают выпирать из галактической плоскости, позволяя газу, связанному с силовыми линиями, двигаться вдоль силовых линий и собираться в мешки, или облака, около галактической плоскости. Таков, по-видимому, общий механизм, при помощи которого образуются межзвездные облака при вхождении газа в спиральный рукав.
После образования облака в нем происходит постепенное уменьшение содержания тяжелых элементов и ионов, многие из которых определяют процессы охлаждения, протекающие в облаке. При своем обычном теп
ловом движении внутри газа эти атомы и ионы, соударяясь с межзвездными частицами, прилипают к их поверхности. Таким образом, температура вновь образовавшегося облака вначале может быть относительно низкой, но со временем, по мере уменьшения количества охлаждающих агентов внутри облака, она возрастает.
С увеличением температуры облака соответственно падает его плотность, и не исключено, что по мере выхода газа из спирального рукава после пребывания там в течение ~108 лет облака расширяются и растворяются в среде, которая снова становится довольно однородной по плотности. Данные о присутствии облаков межзвездного газа в области между спиральными рукавами отсутствуют.
По-видимому, для коллапса межзвездного облака с последующим образованием звезд оптимален цериод его образования, так как некоторые облака могут иметь большую плотность, чем другие, в результате чего силы собственного притяжения становятся больше. Однако некоторые облака, подвергаясь поверхностному нагреву под влиянием нарождающихся поблизости горячих массивных звезд или вспышки близкой сверхновой звезды, могли претерпеть динамическое сжатие на более поздних стадиях своего развития.
Типичное межзвездное облако может обладать массой в несколько сотен или несколько тысяч масс Солнца, более вероятно, что коллапсу с последующим образованием звезд подвергаются облака, обладающие большей массой. Очевидно, при коллапсе облака происходит многократный процесс его дробления на отдельные центры конденсации, завершающийся в конечном итоге образованием большого количества молодых звезд. Если в образовании новых звезд участвует лишь часть газа, а остальной газ быстро удаляется из области образования звезд под действием ионизации ультрафиолетовыми лучами, сопровождающей образование новых горячих звезд, то вновь образующиеся звезды, не будучи гравитационно связанными друг с другом, могут свободно расходиться в пространстве. В Галактике наблюдается очень много таких расширяющихся ассоциаций, содержащих массивные и очень яркие звезды.
Очевидно, необходимо, чтобы газ в межзвездной среде обладал определенной минимальной плотностью для того, чтобы образование звезд могло проходить в потоке газа, подвергающегося ударному воздействию в спиральном рукаве. Можно ожидать, что
эта минимальная плотность достигается вследствие истощения газа при образовании звезд вскоре после коллапса газа и образования галактического диска. В изолированной галактике дальнейшее образование звезд может происходить только при условии возвращения газа в межзвездную среду в ходе эволюции звезд. Хотя, как показывают наблюдения, этот процесс имеет место, есть сомнения в том, что количество газа, возвращающегося в межзвездное вещество, достаточно для объяснения наблюдаемого числа вновь возникающих в настоящее время в Галактике звезд.
Интересно отметить, что некоторые облака, обладающие высокой скоростью и наблюдаемые в галактической короне, интерпретировались как газ, впервые вторгшийся в Галактику из межгалактической среды. Если такое вторжение газа продолжается непрерывно, что не противоречит картине, нарисованной в предыдущем разделе, то этот газ мог бы накапливаться в межзвездной среде и создавать избыточную плотность, необходимую для обеспечения стабильности процесса образования звезд при входе газа в спиральные рукава.
В эллиптической галактике возможны только первые стадии галактической эволюции этого типа. Сжатие газа, сопровождающееся образованием галактики, приводит, вероятно, к образованию звезд непосредственно из кол-лапсирующего газа. Из-за малой величины углового кинетического момента системы остаточный газ, сохранившийся после образования звезд в процессе коллапса, по-видимому, сосредоточивается около центра галактики, образуя звезды в окрестностях центра. В дальнейшем поступление в такую систему новых масс газа ведет к накоплению его около центра и образованию там звезд и т. д. Однако скорость образования звезд в такой галактике будет довольно низкой, если при этом не будет постоянного и достаточного по количеству поступления газа из галактической среды, как это, по-видимому, имеет место в нашей Галактике.
Пока еще не разработано какой-либо теории, объясняющей взаимодействие между газами и звездами в неправильных галактиках. Такие системы обладают неправильной и сложной геометрией, что затрудняет применение к ним теории волн плотности, однако по наличию в неправильных галактиках множества молодых горячих звезд можно судить о происходящем в них активном непрерывном процессе звездообразования.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com