Вращение галактик

Невращающаяся звездная система по истечении не­которого времени должна принять форму шара. Такой вывод следует из теоретических исследований. Он под­тверждается на примере шаровых скоплений, которые не вращаются и имеют шарообразную форму.

Если же звездная система сплюснута, сжата, то это означает, что она вращается. Следовательно, должны вра­щаться все спиральные галактики. Должны вращаться и эллиптические галактики, за исключением тех из них,

которые шарообразны, не имеют сжатия. Вращение про­исходит вокруг оси, которая перпендикулярна к главной плоскости симметрии. Галактика сжата вдоль оси своего вращения.

Как обнаружить вращение галактик? Если галактика наблюдается в плане, ориентирована так, что ось враще­ния совпадает с лучом зрения, го движения ее частей вследствие вращения направлены перпендикулярно к лу­чу зрения и мы не способны эти движения уловить, так как собственные движения, ввиду огромного расстояния, исчезающе малы. Если же Галактика наблюда­ется с ребра — ось вра­щения лежит в картин­ной плоскости, то вслед­ствие вращения одна часть диска должна приближаться к нам, а другая удаляться. Это отразится на лу­чевых скоростях, и та­ким образом,   скорость Впервые вращение галактик обнаружил в 1914 г. аме­риканский астроном Слайфер. Он направил щель спект­рографа вдоль большой оси видимого эллипса галактики (т. е. вдоль линии АЕ на рисунке) и снял ее спектр. Обыч­но линии в спектрах бывают направлены вертикально, а в данном случае они оказались наклоненными, как это показывает правая часть рисунка. Наклон линий вызван тем, что точка А галактики вследствие вращения дви­жется в нашу сторону и имеет меньшую лучевую ско­рость, чем точка С, соответствующая центру. Поэтому согласно эффекту Доплера в спектре соответствующая точка линии должна быть смещена к фиолетовому концу. Точка В тоже приближается к нам, но медленнее, чем точка А, поэтому она смещена меньше. Точки D и E, расположенные ниже центра, в результате вращения га­лактики удаляются от нас, поэтому соответствующие им точки на спектральной линии смещены в красную сторо­ну спектра.

Поверхностная яркость галактик недостаточна, чтобы можно было получить линии спектра, простирающиеся вверх и вниз до самых границ наблюдаемых областей галактик. Линии спектра можно разглядеть только на участке, соответствующем ядру, которое значительно ярче периферийных областей звездной системы. Следовательно, наклон линий указывает лишь на то, что вращается ядро галактики.

Важной особенностью спектра является то, что линии, наклоняясь, остаются прямыми, не изгибаются. Это озна­чает, что смещения точек А_, В, D, Е на спектральной линии пропорциональны расстояниям соответствующих точек на диске галактики от ее центра. Следовательно, и лучевые скорости, вызываемые вращением, пропорцио­нальны расстояниям от центра диска. Это показывает, что ядро галактики вращается как твердое тело. Только при вращении, подобном вращению твер­дого тела, при постоянстве угловой скорости, у всех точек линейная скорость вращения пропорциональна рас­стоянию от центра.

Измеряя углы наклона линий, можно вычислить уг­ловую скорость вращения и период полного оборота для ядер галактик. Это было сделано для ряда звездных си­стем. Наименьший период оборота — 2,8 млн. лет —ока­зался у ядра галактики NGC 411 типа S0. На следующем месте по быстроте вращения стоит NGC 2683, тип Sс, пе­риод 6,4 млн. лет. Затем идет NGC 3115, тип Е7—8.8 млн. лет. Медленнее всего вращаются ядра га­лактик NGC 7640 типа SBc и NGC 4559 типа Sс Периоды их вращений превосходят 400 млн. лет.

Ядра галактик, как и сами звездные системы, вслед­ствие вращения испытывают сжатие. Сжатие тем боль­ше, чем больше скорость вращения и чем меньше плот­ность. Зависимость между скоростью вращения, сжатием и плотностью ядра можно спользовать для нахождения любой аз этих характеристик, если две другие известны. В данном случае оказываются известными сжатие, кото­рое можно измерить непосредственно на снимке, и ско­рость вращения ядра. Поэтому можно вычислить плот­ность материи в ядрах галактик. Она оказывается раз­личной в различных галактиках, колеблясь от 10^-20 до 10^-32 г/см³. Плотность материи в окрестностях Солнца составляет приблизительно 2 • 10^-24 г/см³. Значит, в яд­рах галактик плотность материи в сотни и тысячи раз выше, чем на периферии звездных систем. По-видимому, и ядро нашей, Галактики в сотни, а может быть, и ты­сячи раз плотнее той области звездной системы, которая окружает Солнце. Но это данные о средней плотности ядер. В центральных областях самих ядер плотность ма­терии, согласно последним данным, еще в сотни и даже тысячи раз выше названных величин.

Итак, ядра галактик вращаются как твердые тела. Для того чтобы определить закон вращения для обла­стей вне ядра, метод наклона спектральных линяй при­менить не удается, мала поверхностная яркость этих областей. Но был найден другой путь. В спиральных галактиках звезды горячие гиганты и сверхгиганты сов­местно с водородными облаками образуют яркие сгустки. Используя большие телескопы, можно получать отдель­ные спектры этих сгустков и, измеряя положения спект­ральных линий, вычислять лучевую скорость. Иногда в одной галактике можно найти более десятка таких сгу­стков, расположенных на различных, иногда значитель­ных расстояниях по обе стороны от ядра, и измерить их лучевую скорость.

Рассмотрим, например, фотографию галактики NGC 5055 и график, на котором показаны лучевые ско­рости различных точек (сгустков) в этой галактике, из­меренные Е. М. Бербидж, Г.Р.Бербиджем и К. X. Прендергастом. По вертикали для наглядности ^от­ложены не полные лучевые скорости, а разности между лучевыми скоростями сгустков и лучевой скоростью ядра, так как именно эти разности характеризуют вращение галактики. Как и следовало ожидать, по одну сторону от центра все разности лучевых скоростей положительны, эта сторона в результате вращения движется от нас, а по другую сторону от центра отрицательны, эта сторо­на, вращаясь, движется к нам. Через полученные точки на графике проведена сглаженная кривая, которая ха­рактеризует закон изменения скорости вращения различ­ных областей галактики в зависимости от расстояния до центра и которая поэтому называется кривой скоростей. То, что точки ложатся не точно на кривую, а несколько разбросаны вокруг нее, объясняется, во-первых, тем, что яркие сгустки, лучевая скорость которых определялась, не лежат в картинной плоскости, проходящей через центр галактики, и скорость их вращения около центра галак­тики составляет различные углы с лучом зрения. Во-вто­рых, каждый сгусток, кроме скорости общего вращения, имеет свою индивидуальную скорость. Наконец, разброс точек вызван и ошибками измерения.

Мы видим, что у NGC 5055 кривая скоростей сначала, близ центра, близка к прямой. Это подтверждает враще­ние ядра как твердого тела, так как указывает, что линейная скорость вращения пропорциональна расстоянию от центра галактики, а угловая скорость постоянна. За­тем кривая отклоняется от прямой, линейные скорости продолжают возрастать, но не так быстро, как получалось бы по прямой. Это означает, что угловая скорость вра­щения начинает убывать по мере удаления от центра галактики.

За некоторой точкой уменьшение угловой скорости уже не может компенсироваться увеличением расстояния, а следовательно, и линейная скорость начинают убывать, приближаясь постепенно к нулю.

Для получения наклонных линий в спектре ядра га­лактики или для построения кривой скоростей по луче­вым скоростям отдельных ярких сгустков в теле галак­тики нет необходимости, чтобы галактика была обращена к нам строго ребром. Угол i между лучом зрения и глав­ной плоскостью галактики может и не равняться нулю, хотя чем он больше, тем вращение определяется менее уверенно. Если этот угол отличен от нуля, то разности лучевых скоростей рассматриваемой точки и центра га­лактики равны линейной скорости вращения, умножен­ной па cos i. Поэтому для определения линейной скорости вращения по разности лучевых скоростей нужно по­следнюю делить на cost. Значит, нужно еще уметь оце­нивать угол i наклона главной плоскости галактики к лучу зрения. Это обычно можно делать с точностью до 2—3° по фотографии спиральной галактики. Например, для галактики NGC 5055 угол i оценивается в 31°.
Приглашаем Вас обсудить данную публикацию на нашем форуме о космосе.