4.2. Образование кольцевых  и взаимодействующих галактик

 

 

Аннотация

 

В работе рассмотрена возможность образования кольцевых и взаимодействующих галактик под воздействием межгалактического магнитного поля. Движение галактики во внешнем магнитном поле приводит к возникновению силы  , действующей на галактическую плазму. Если напряжённость внешнего магнитного поля и скорость движения галактики таковы, что сила   и гравитационная сила, действующие на частицы плазмы соизмеримы, то в галактике возникают структурные изменения.  Была рассмотрена галактика массы М=1010М, радиуса R=3∙103 пс,  движущаяся во внешнем магнитном поле.  При расчётах напряженность магнитного поля изменялась в пределах от  до  гс, а скорость галактики относительно магнитного поля изменялась в пределах от нуля до 200 км/сек. При гс и скорости движения галактики порядка 5 км/сек  у неё начинает формироваться кольцо. В течение промежутка времени длительностью около 50 - 100 млн. лет кольцо будет наблюдаться как pacширяющееся и вращающееся. Скорость расширения около 50 км/сек, скорость вращения - около 150 км/сек. Сформировавшееся кольцо имеет ширину 1,5∙103 пс. При скорости движения галактики относительно магнитного поля около 20 км/сек образуется  полукольцо  шириной около 3.103 пс. Расстояние внутренней границы кольца от центра галактики около 4∙103пс. С диаметрально противоположной стороны от галактики отходит ветвь, меняющая несколько раз знак кривизны,  причем в местах изменения знака кривизны в ветви происходит концентрация материи. Структура, подобная описанной, наблюдается у галактики MCG 6-25-77. При скоростях движения галактики относительно магнитного поля больших 50 км/сек образование кольца не происходит. При скорости галактики 200 км/с возможно образование взаимодействующих галактик. При гс у галактики формируются два спутника на спиральных перемычках. Подобная структура наблюдается у галактики VV 394.

 

 

--   Оглавление  --

 

I. Образование кольцевых галактик.

Наблюдательные данные свидетельствуют, что структура галактик чрезвычайно многообразна, а различные детали галактик (спиральные ветви, дуги, кольца, вереницы)  постепенно переходят друг в друга Это настойчиво подчеркивал Воронцов-Вельяминов в своих работах [1,2].Он впервые отметил сходство конфигураций ветвей галактик с силовыми линиями магнитного поля и ввёл термин «магнитоподобные явления в галактиках». В работе [3]отмечается, что межгалактическое магнитное поле может играть большую роль в эволюции галактик, так как оно нарушает круговую симметрию. В работах [5,6] приводятся свидетельства существования крупномасштабного межгалактического магнитного поля. Напряженность межгалактического магнитного поля неизвестна, в работе  [4] дана лишь её верхняя оценка гс. Имеются работы, в которых те или иные детали галактик объясняются формированием их под влиянием магнитного поля. Так в работе [7] высказана гипотеза о том, что спиральные ветви галактик возникают в протогалактических магнитных жгутах. В работе [8]  показано, что в случае тороидального магнитного поля галактики возможно возникновение кольца при выбрасывании газа из ядра галактики. Однако  до настоящего времени мы не встречали работ, в которых многообразные детали галактик систематически объяснялись бы влиянием межгалактического магнитного поля. Такая попытка предпринята в настоящей работе.

В §4.1 показано, что движение плазмы в магнитном поле приводит к возникновению силы  ,  перпендикулярной к векторам скорости плазмы  и напряженности магнитного поля    (квазилоренцева сила) и дан алгоритм для вычисления компонент этой силы.

В работе [9] показано, что под действием силы при гравитационном сжатии протозвезды у неё генерируется угловой момент, по порядку величины совпадающий с угловым моментом, обусловленным наблюдаемыми хаотическими движениями газовых облаков относительно друг друга. Аналогичный  расчёт, произведенный нами для протогалактики, показал, что в этом случае также возникает угловой момент,  близкий к наблюдаемым.

Однако, квазилоренцева сила позволяет объяснить не только вращение звезд и галактик, но и особенности деталей сформировавшихся галактик. Рассмотрим для примера образование колец у галактик.

Различают три подкласса кольцевых галактик [10]    -кольцо − четкое пустое кольцо, - кольцо с ядром и - кольцо с узлами в теле кольца. Причем замечены переходные между  и   − кольцевые галактики с эксцентрично расположенным ядром [11].  В работе [12] отмечено, что в галактиках  и  диски иногда имеют внутреннюю границу. Иногда наблюдаются расширяющиеся и притом вращающиеся кольца. По данным [13] скорость расширения газового кольца порядка 130 км/сек, скорость вращения - 70 км/сек. Описаны, кроме того, галактики, тело которых имеет вид полукольца [14].

Существует несколько гипотез, объясняющих возникновение кольцевых галактик. Наиболее распространены гипотезы, объясняющие возникновение кольцевых галактик лобовым столкновением двух галактик [15-18] и прохождением плотного ядра сквозь диск. В работе[19] кольцевая структура объясняется возможностью ухода из галактики малого ядра, в работе [20] – тем, что эффект вязкости газа может привести к переносу углового момента и, как следствию, образованию кольца. Как уже отмечалось, в работе [8] образование кольца у галактики объясняется наличием у неё тороидального магнитного поля. В [21] проверялась гипотеза о возможности образования кольцеобразной структуры при коллапсе вращающегося газового облака. Просчет при трёх различных значениях углового момента облака образование кольца не подтвердил.

В настоящей работе рассмотрена возможность образования кольцевой галактики при движении линзовидной галактики, не имеющей собственного магнитного поля, в межгалактическом магнитном иоле. Была рассмотрена галактика массы М=1010М, радиуса R=3∙103 пс,  движущаяся во внешнем магнитном поле напряженностью Н=10-19гс. Скорость галактики изменялась в пределах от нуля до 200 км/сек. Рассчитывалось движение пробных частиц, имеющих различные начальные координаты под действием квазилоренцевой и гравитационной сил. Последняя вычислялась в  предположении, что вся масса галактики сосредоточена в её центре. Затем строились схемы расположения частиц в различные моменты времени. Расчётные точки на траекториях частиц нанесены через равные промежутки времени млн. лет (рис. 1). Расчёты показали, что при скорости движения галактики относительно магнитного поля порядка 5 км/сек  у неё начинает формироваться кольцо. В течение промежутка времени длительностью около 50 - 100 млн. лет кольцо будет наблюдаться как pacширяющееся и вращающееся. Скорость расширения около 50 км/сек, скорость вращения - около 150 км/сек. Сформировавшееся кольцо имеет ширину 1,5∙103 пс.

 

 

 

 

 

Рис. 1

 

 Внутренняя граница кольца четкая и находится на расстоянии  4,5.103 пс от центра галактики. Ядро образовавшейся кольцевой галактики имеет радиус 2,5.102 пс. При первоначальной скорости движения галактики 3 км/сек ядро сформировавшейся кольцевой галактика за 2 млрд. лет выйдет за пределы галактики, последовательно проходя стадии: кольцо с ядром в центре, кольцо с эксцентричным ядром, кольцо без ядра.

При скорости движения галактики относительно магнитного поля около 20 км/с  образуется  полукольцо (рис.2а, заштриховано), шириной около 3.103 пс. Расстояние внутренней границы кольца от центра галактики около 4∙103пс. С диаметрально противоположной стороны от галактики отходит ветвь, меняющая несколько раз знак кривизны,  причем в местах изменения знака кривизны в ветви происходит концентрация материи, обусловленная замедлением движения частиц. Структура, подобная описанной, наблюдается у галактики MCG 6-25-77 (рис.2б) [1, стр. 152].

   

   

а)                                                                                    б)

 

Рис. 2

 

При скоростях движения галактики относительно магнитного поля больших 50 км/сек образование кольца не происходит.

 

II. Образование взаимодействующих галактик.

Взаимодействующие галактики составляют 5-7% от всего числа галактик [1],  что исключает происхождение их в резуль­тате случайных встреч и столкновений. Плотность взаимодейству­ющих галактик в среднем пропорциональна плотности всех галактик, но в скоплениях  спиральных галактик они встречается несколько чаще  [22,23]. Причем, среди взаимодействующих систем встречаются как гигантские так и карликовые [1]. Типичным для взаимодействующих галактик является возникновение у них хвостов и перемычек. Отношение длины этих образований к ширине варьируется в широких пределах - от 50:1 до 1:1 [1].  Перемычки могут соединять значительно удаленные сравнимые по размерам взаимодействующие галактики и большие галактики с малыми спутниками, причем, чем спутники относительно меньше, тем чаще они встречаются.  Отмечается [23] непрерывный переход от галактик со спутником близким к главному телу к более далеким спутникам, соединенным с материнской галактикой едва  различимой ветвью.

Большинство гипотез, объясняющих появление хвостов и перемычек можно разделить на два типа − гипотезы, объясняющие появление хвостов и перемычек между галактиками приливным гравитационным взаимодействием и гипотезы, объясняющие наблюдаемые структуры взаимодействующих галактик гидродинамическими явлениями.

Однако обе гипотезы при объяснении наблюдаемых явлений сталкиваются с определенными трудностями. Объяснение возникновения перемычек приливными взаимодействиями приводит к выводу о том, что это короткоживущие образования, что противоречит заключениям, сделанным в работах [1] и [23]. Кроме того, спутники на ножке приливной теорией необъяснимы, так как, имея малые размеры, а, следовательно, и малую массу, они не могут вытянуть к себе мощную спиральную ветвь из большой галактики [1]. Иногда возмущения в большей галактике значительно сильнее, чем в малой, что также  необъяснимо теорией приливного взаимодействия

Гипотезы о магнитной природе возникновения хвостов и перемычек также сталкиваются согласно Воронцову-Вельяминову со следующим затруднением. Из-за малого количества газа в современных галактиках, возникновение искажений приходится относитъ в далекое прошлое, а звезды в них считать возникшими  из газовой материи путем конденсации. Но в таком случае звёзды, не удерживаемые магнитным полем, за столь длительный срок должны были бы рассеяться [1].

Существуют также гипотезы, объясняющие появление взаимодействующих галактик путем расхождения двух или более ядер после расщепления первичного ядра галактики  [1].

Как отмечает Воронцов-Вельяминов, все упомянутые выше гипотезы являются словесными, и возможность описываемых ими явлений пока недоказуема.

В данной работе рассмотрено образование взаимодействующих галактик под действием квазилоренцевой силы.

В зависимости от напряженности межгалактического магнитного поля и скорости движения галактики относительно этого поля могут формироваться различные виды взаимодействующих галактик. Рассмотрим движение галактики, имеющей форму диска и не имеющей собственного магнитного поля относительно внешнего магнитного поля со скоростью 200 км/с.  Масса галактики 1010 М, радиус галактики 3∙103 пс, ось вращении параллельна вектору напряженности внешнего магнитного поля. При гс у галактики формируются два спутника на спиральных перемычках, причём образуются дополнительные тонкие прямые перемычки, идущие от спутника к галактике. На рис 2а приведены для этого случая траектории движения двух пробных частиц. Области концентрации материи, обусловленные замедлением движения частиц плазмы, заштрихованы. На рис.2б приведен снимок галактики VV 394 [1, стр. 306], имеющей сходную структуру.

 

 

     

 

                             а)                                                         б)

 

Рис. 2

 

Итак, исследование движения частиц галактического газа под действием квазилоренцевой и гравитационной сил позволяет объяснить некоторые наблюдаемые необычные формы галактик.

 

 

Литература

 

1.      Воронцов-Вельяминов Б. А., Внегалактическая астрономия, М., 1978.

2.      Vjrontsov-Veljaminov B., In “Atti del convegno sulla cosmol.”, Firenze, p. 47.

3.      Henriksen R.N., Reinhardt M. B., i, L(E)  and the Hubble sequence: a new theory of galaxies. Astrophis. And Space Sci”, 1977, 49,  №1.

4.      Происхождение и эволюция галактик и звёзд. Редактор Пикельнер С.Б., М., 1976, с. 63.

5.      Рузмайкин А.А., Соколов Д.Д. Неоднородное крупномасштабное магнитное поле и глобальная структура Вселенной. (Ин-т прикл. мат. АН СССР. Препринт  №112). М., 1975. 15 с., ил.,.

6.      Kolobov V.M., Reinhardt M.,Sazonov V.N. A  test of the isotropy of the Universe. “Astrophis. Lett.”, 1976, 17, №4.

7.      Огородников К.Ф. Спиральная структура галактик и её происхождение. В сб. «Динамика и эволюция звёздных систем». (Серия «Проблемы исследования Вселенной», вып. 4) М.-Л., 1975.

8.      Румянцев А.А. О форме газовых выбросов в активных галактиках. «Астрофизика», 1974, 10, №1.

9.      Антонов В.М., Топтунова Л.М. О происхождении углового момента звёзд и галактик. I. Магнитно-кинетический механизм генерации углового момента космического облака. Славянский пед. ин-т. Славянск, 1979 (деп. в ВИНИТИ 16 окт. 1979 г., № 3581-79).

10.  Teys J.C., Spiegel E.A.  Ring galaxies. I “Astrophis. J.”,  1979, 208, №3, Part 1, 650-661.

11.  Воронцов-Вельяминов Б.А., Досталь В.А. Чисто кольцевая галактика с эксцентричным ядром. « Астрон. циркуляр», 1976, 20 июня, № 910.

12.  Засов А.В. Звёздный диск галактик может иметь «дыру» в центре. «Астрон. циркуляр», 1976, 2 ноября, № 933.

13.  Rubin V., Ford K., Penerson Ch. “Astrophys J.”, 199, №1, 1975.

14.  Воронцов-Вельяминов Б. А., «Астрон. циркуляр», 1972, 28 ноября, № 73.

15.  Theys J., Spigel E.A. Ring galaxies. II “Astrophis. J.”,  1977, 212, №3, Part 1.

16.  Mitton Simon. Cosmic rings from colliding-galaxies. “New Sci.”, 1976, 72, № 1027.

17.  Fosbury R.A.T., Hawarden T.G. A 0035 “the cartwheel” large southern ring galaxy. “Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.”, 1977, 178, № 2, 473-487.

18.  Воронцов-Вельяминов Б.А. Многообразие кольцевых галактик и их происхождение.  «Письма в Астрон.», 1976, 2, № 11.

19.  Беков А.А., Омаров Т.Б. К структурным особенностям пекулярных галактик. «Ер. Астрофиз. Ин-та АН КазССР». 1976, 28, 3-13.

20.  Мишуров Ю.Н., Пефтиев В.М., Сучков А.А. Неустойчивость гравитирующих вращающихся газовых систем при наличии вязкости и природа кольцевой структуры галактик. «Астрон. Ж..», 1976, 53, № 2, 268-272.

21.  Tscharnuter Werner M. The collapse of  a rotating cloud: a new numerical appraach. “Mem. Soc. Astron. Ital.”, 1974, 45, № 1-2, 407-409.

22.  Засов А.В., «Астрофизика», 1968,4, №3.

23.  Воронцов-Вельяминов Б. А., «Астрон. циркуляр», 1974, 25 марта, № 815, 1-2.