Л.М. Топтунова.

 

4.3 Галактики с полярными кольцами

 

Аннотация

 

В работе рассмотрена возможность образования галактик c полярными кольцами при движении галактики со слабым магнитным полем  в более мощном магнитном поле другой галактики. При движении диска слабой галактики параллельно  магнитному полю  сильной галактики  возникает сила  , действующая на газовые облака гало слабой галактики и направленная перпендикулярно диску галактики. При определённых условиях эта сила может привести к возникновению полярного кольца у слабой галактики.  В качестве примера была рассмотрена галактика массы 1010М и радиуса Rg =3∙103 пс,  движущаяся во внешнем магнитном поле напряженностью Н=1,4∙10-20 Гс .  Расчёты показали, что в этом случае  из газа гало за 300 – 400 млн. лет формируется полярное кольцо расположенное в области 1.5Rg < r < 2.5 Rg  (r – расстояние до центра галактики). Названа причина интенсивного звездообразования в полярном кольце: газ и пыль в кольце движутся перпендикулярно движению материи гало вне кольца; это должно создавать турбулентность и приводить к звездообразованию.

 

 

--   Оглавление  --

 

 

 

Фотографии типичных  представителей галактик с полярными кольцами представлены на рис. 1а, 1б [1]  и рис 1в [2] .

 

 

\begin{figure}\centerline{\psfig{file=fig2gal.ps,width=12cm,clip=}}\end{figure}   \begin{figure}\centerline{\psfig{file=fig2gal.ps,width=12cm,clip=}}\end{figure}

                            а                                                       б      

 

 

\begin{figure}\centerline{\psfig{file=e474.ps,width=10cm,clip=}}\end{figure}

                                                      в

                                                       

Рис. 1

 

Спектральные наблюдения показали, что центральное тело таких галактик вращается вокруг своей малой оси, галактики плоские, а видимая сигарообразность обусловлена тем, что такая плоская галактика видна почти с ребра [3,4].  Полярное кольцо такой галактики на самом деле состоит из двух симметричных газовых крыльев с вкраплёнными в них звёздами. Вращение в газово-звёздных крыльях происходит в плоскости, проходящей через ось вращения центрального тела. Таким образом, плоскости вращения центрального тела и газово-звёздного кольца взаимно перпендикулярны. Схематически эта ситуация иллюстрируется рис.2. В некоторых случаях два отдельных крыла отчётливо видны (рис. 1в), в других случаях крылья практически смыкаются и тогда видно одно кольцо (рис. 1а,б).

             

                          а                                                         б

Рис. 2

 

 

Рис.2а  и  рис.2б  соответствуют двум возможным противоположным направлениям вращения газово-звёздного кольца.

При объяснении возникновения полярных структур чаще всего  рассматриваются внешние гравитационные воздействия соседних галактик  (аккреция части вещества одной из сблизившихся галактик на другую галактику) [5,6]. Высказывались также предположения об определяющей роли магнитных полей в поддержании стабильной формы полярных колец (супруги Бербиджи).

В данной работе для объяснения возникновения полярных колец  используется понятие магнитно-кинетической (квазилоренцевой) силы.

 В §4.1 показано, что при движении облака плазмы  перпендикулярно магнитному полю возникает сила  , действующая на частицы облака. Эта сила перпендикулярна  векторам скорости облака  и напряженности магнитного поля  , и потому названа квазилоренцевой силой. Дан алгоритм для вычисления компонент этой силы. Если угол между  и   отличен от перпендикулярного, то работает лишь составляющая скорости , перпендикулярная  напряженности магнитного поля  .  В §4.2  показано, что при движении галактики перпендикулярно магнитному полю, генерируются галактические структуры, расположенные в плоскости диска галактики (кольцо; ветви, меняющие несколько раз знак кривизны; спутники, соединённые с галактикой перемычками).

Покажем, что при движении галактики параллельно магнитному полю генерируются полярные кольца. Механизм возникновения полярного кольца поясняет рис. 3.

 

 

Рис. 3

 

 Квазилоренцева сила возникает только в случае, если вектор скорости газового облака имеет составляющую, перпендикулярную напряжённости магнитного поля. Так как галактика движется параллельно вектору напряженности магнитного поля  , то перпендикулярная составляющая скорости  к вектору   появляется только за счёт кеплеровской скорости Vкепл. Квазилоренцева сила приводит к появлению скорости частиц газового облака, перпендикулярной плоскости диска галактики. В точках А и В значение перпендикулярной составляющей кеплеровской скорости максимально, а в точках С и D равно нулю. Соответственно в точках А и В значение квазиловенцевой силы максимально, а в точках С и D равно нулю. Вследствие этого при определённых условиях может возникнуть полярное кольцо, которое формируется в основном из газовых облаков, расположенных близко к линиям АА1  и  BB1, на которых  значение перпендикулярной составляющей кеплеровской скорости, а значит и значение  квазиловенцевой силы, максимально (рис.4).

 

 

 

 

Рис. 4

 

При объяснении возникновения полярных колец за счёт квазилоренцевой силы прежде всего встаёт вопрос о природе межгалактических магнитных полей (перпендикулярных либо параллельных скорости галактики).

В литературе отмечаются следующие факты:

1.     У большинства галактик с полярными кольцами центральные объекты похожи на линзовидные [5,9];

2.     Галактики с полярными структурами очень слабы [9,10]; это даёт основание полагать, что такие галактики не только весьма удалены, но и не слишком массивны.

3.     Нет наблюдений одиночных галактик с полярным кольцом, не входящих в какое-либо скопление галактик; это даёт основание полагать, что такие галактики могут быть продуктом взаимодействия данной галактики с одной из галактик скопления.

На рис.5 схематически представлено движение галактики со слабым собственным магнитным  полем в сильном магнитном поле массивной спиральной галактики. В [7] отмечается, что магнитное поле спиральной галактики имеет квадрупольную структуру, что и показано на рис. 5.

 

 

Рис. 5

 

Если плоскости дисков малой и большой галактик параллельны, то при прохождении малой галактикой позиции  1  образуется полярное кольцо (рис.2а), при прохождении позиции  3  также  образуется полярное кольцо противоположного направления (рис.2б), а при прохождении позиции 2 будут образовываться структуры, расположенные в плоскости диска галактики. Если же плоскости дисков малой и большой галактик не параллельны, то реализуется только один из этих сценариев. При скорости движения галактик относительно друг друга порядка 200 км/с,  взаимодействие  галактик, приводящее к изменению структуры малой галактики, может продолжаться до 1 млрд. лет.

Ниже будет показано, что взаимодействующие галактики могут быть достаточно удалёнными друг от друга, так что захват массы меньшей галактики более массивной галактикой не происходит. В данной ситуации играет роль только соотношение  напряжённости крупномасштабных магнитных полей галактик.

В данной работе приведены результаты расчётов, сделанных при следующих предположениях:

1. Плоскости дисков галактик параллельны;

2. Собственное магнитное поле малой галактики в пределах её светящейся части сильнее магнитного поля большой галактики в этой же области;

3. Собственное магнитное поле малой галактики в пределах её гало слабее магнитного поля большой галактики галактики в этой же области;

4. Гало галактик барионное, газово-пылевое;

5. Газовые облака HI гало имеют такие же характеристики, как и газовые облака HI диска галактики. Контрольные расчёты показали, что значение квазилоренцевой силы очень слабо зависит от степени ионизации и от плотности газа в облаке HI (при проверке эти параметры варьировались на несколько порядков) и сильно зависит от распределения массы в галактике и напряжённости магнитного поля.

 

Параметры галактики со слабым магнитным полем следующие: галактика линзовидная, радиус диска галактики Rg=3∙103 пс,  масса диска галактики Mg=1010М. Гало сферическое, диаметр гало в шесть раз больше диаметра диска галактики, полная масса галактики (диск + гало) на порядок больше массы диска галактики. Распределение массы в гало подбиралось так, чтобы кривая вращения галактики, обусловленная распределением материи в светящемся диске и в тёмном гало, соответствовала наблюдательным данным. На рис.6 показаны расчётная кривая вращения для данной галактики  (r – расстояние до центра галактики), а на рис.7 кривая вращения галактики NGC~3198, полученная по наблюдениям нейтрального водорода на 21 см (кривая вращения разложена на три составляющие: вклад диска, вклад газового компонента; вклад гало) [8]. Как видно, характер кривых совпадает.

 Расчётные кривые рис.6  получены при условии, что полная масса галактики в пределах Rg < r < 6Rg  задаётся формулой

 

     .                  (1)

        

 

Рис. 6

 

Рис. 7

 

 Яркость полярного кольца, состоящего из газа с вкраплёнными в него звёздами, зависит от плотности газа в кольце. А плотность газа в  кольце радиуса r пропорциональна плотности массы гало на расстоянии r от центра галактики (см. схему, показанную на рис.4). Масса сферического слоя радиуса r и единичной толщины равна .  Из (1) следует, что

 

.

 

Следовательно, плотность массы гало ()  равна

                                   (2)

 

На рис.8 приведен график, показывающий изменение плотности массы гало        при  Rg < r < 6Rg   .

 

 

Рис.8

 

Хотя полярное кольцо формируется из всех газовых облаков, расположенных близко к линиям АА1  и  BB1  (рис.4), яркость кольца зависит от плотности газа в кольце. Очевидно, что наибольшая яркость кольца будет в тех его частях, которым соответствует высокая плотность газа. Чтобы визуально на расчётном графике отразить этот факт, построение расчётных траекторий частиц газа производилось с переменным шагом, величина которого увеличивалась пропорционально уменьшению плотности массы гало. При начальном значении шага  h = 0.05 Rg  последующие шаги  рассчитывались по формуле  h: =  h/plotn. Это дало такой ряд для начальных значений r расчётных кривых в единицах Rg,  Rg < r < 6Rg  :   [1,1.05,1.1,1.16,1.23,1.34,1.51,1.85,2.81]  для направлений АА1  и  BB1 . Совокупность всех расчётных кривых приведена на  рис. 9. По совокупности расчётных кривых можно сделать заключение, что наиболее яркая область кольца располагается в пределах   1.5Rg < r < 2.5 Rg  (рис.10), что в большинстве случаев соответствует наблюдательным данным. 

 

 

 

 

 

Рис. 9

 

 

Рис. 10

 

 

Можно также отметить ещё один эффект. Расчёты показали, что скорость движения частицы из её начального положения к точке с максимальной кривизной траектории значительно уменьшается, а затем снова возрастает. Так, для частицы с исходной координатой r = Rg в верхней точке кривой скорость в 30 раз меньше скорости в исходной точке. Вследствие этого половина времени, затраченного на прохождение всей траектории, приходится на прохождение небольшого участка траектории, выделенного на рис. 9-10 овалом. Аналогичное явление будет иметь место для всех траекторий с исходными координатами, удовлетворяющими условию

 

Rg < r < 1,5Rg.

 

Поэтому в областях, выделенных на рис. 9-10 овалами, будет скапливаться большое количество газа и на фотографиях они будут выглядеть более яркими. Это явление можно усмотреть на рис.1в.

Картина, показанная на рис.9-10  (два крыла типа крыльев, показанных на рис.2а), формируется за 300 млн. лет. За промежуток времени 400 млн. лет для рассматриваемого случая образуется полностью замкнутое полярное кольцо.

Для завершения обоснования процесса возникновения полярных колец необходимо ещё объяснить причину интенсивного процесса звездообразования в полярных кольцах. Возможно следующее объяснение. Газ гало вращается вокруг оси ОО1  (рис.3).  Газ полярного кольца движется в направлении, перпендикулярном перемещению газа гало. «Врезаясь» в газ гало, газ полярного кольца создаёт волны плотности, что и приводит к звездообразованию.

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1.                  Whitmore B.C., Lucas R.A., McElroy D.B. et al. // Astronomical Journal. 1990. V.100. N5. P.1489-1522.

2.                  Reshetnikov V., Bournaud F., Combes F. et al. // Astron. Astrophys. 2005. (в печати) (astro-ph/0412013).

3.                  Ulrich M.-H. // Publ. Astron. Soc. Pacif. 1975. V.87. P.965-967.

4.                  Schechter P.L., Gunn J.E. // Astronomical Journal. 1978. V.83. N11. P.1360-1362.   

5.                  Решетников В.П. Взаимодействующие галактики // Природа. 2000. N 6. С.13-21.

6.                  Reshtnikov V., Sotnikova N. // Astron. Astrophys. 1997. V.325. N3. p.933-942.

7.           Рузмайкин А.А., Соколов Д.Д., Шукуров А.М.. Магнитные поля галактик. – М., «Наука», 1988.

8.          Freeman K. Dark Matter in Galaxies // Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics 2000 {\it http://eaa.iop.org/}.