Главная страница
qrcode

Альманах - Космос. C I e n t I f I c a m e r I c a n the в мире науkи moscow 2006 в мирен ау к ик осмос альманахраздел 1 Вселенная Раздел 2 Галактики Раздел 3 Звезды Раздел 4 Планеты москва редакция журнала в мире науки представляет читателям сборник статей


Скачать 11.93 Mb.
НазваниеC I e n t I f I c a m e r I c a n the в мире науkи moscow 2006 в мирен ау к ик осмос альманахраздел 1 Вселенная Раздел 2 Галактики Раздел 3 Звезды Раздел 4 Планеты москва редакция журнала в мире науки представляет читателям сборник статей
АнкорАльманах - Космос.pdf
Дата14.12.2017
Размер11.93 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаAlmanakh_-_Kosmos.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипСборник статей
#51569
страница14 из 36
Каталогid50384802

С этим файлом связано 45 файл(ов). Среди них: и ещё 35 файл(а).
Показать все связанные файлы
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   36
Спирально-вихревые структуры
Последующие годы были посвящены поиску удобной для наблюдения галактики с относительно большим скачком скорости. Семь лет спустя после предсказания гигантских антициклонов в галактиках были открыты вихревые структуры. Они были обнаружены в поле скоростей спиральной галактики Mrk 1040, имеющей большой скачок скорости на кривой вращения риса. Антициклоны располагались между спиральными ветвями,
а их центры – в окрестности скачка скорости рис. б) в точном соответствии с модельным экспериментом на вращающейся мелкой воде рис. Дальнейшие теоретические исследования показали, что антициклоны вместе со спиралями ГАЛАКТИКИ bbА л е к сей Фри дм ан Рис. 1. Солитоны огибающей а) Их вид, описываемый нелинейной теорией (1977, 1979 гг.); б) Аналогичный вид карта поверхностной плотности спиральных рукавов галактики NGC 1365, полученная в диапазоне см с хорошим разрешением.
Рис. 2. Схема моделирования процесса генерации спиральных волн плотности
Центральные перемычки
История изучения спиральной структуры галактик тесно связана с исследованиями еще одного типа галактических структур – так называемых центральных перемычек, или баров. Последние представляют собой звездные эллипсоиды, наблюдающиеся в центральных областях более чем половины спиральных галактик. Как и спиральные рукава, центральными частями которых они, видимо, чаще всего и являются,
бары вращаются твердотельно в плоскости галактического диска. Бары могут быть двух типов быстрые и медленные. Вероятнее всего, быстрые бары образуются в результате так называемой бар-неустойчивости диска, в котором звезды движутся по орбитам, близким к круговым. Возникающий в этом случае бар вращается примерно стой же скоростью, что и галактический диску его концов. Альтернативная возможность состоит в формировании медленного бара из звездной системы с преобладанием вытянутых в радиальном направлении орбит. Последняя может быть естественным результатом коллапса центральной части протогалактики, когда основная часть потенциальной гравитационной энергии переходит в кинетическую энергию преимущественно радиального движения звезд.
Такая звездная система имеет тенденцию к трансформации из сферической в эллиптическую, поскольку малые трансверсальные скорости не могут препятствовать взаимному притяжению и сближению звезд (точнее, вытянутых звездных орбит. Описанный процесс составляет суть неустойчивости радиальных орбит, впервые исследованный В. Поляченко и И. Шухма+
ном в 1972 г. Неустойчивость радиальных орбит

Развитие неустойчивости радиальных орбит приводит к формированию медленного бара,
вращение которого обусловлено прецессией орбит. В результате он вращается значительно медленнее скорости вращения самих звезд и скорости вращения диска в области концов бара.
Условие существования медленного бара, совпадающее с условием границы неустойчивости радиальных орбит, было определено английским астрофизиком Линден-Беллом в 1979 г. Внешнее проявление баров обоих типов может быть весьма схожим, несмотря на разные механизмы их возникновения. До недавнего времени вопрос о существовании медленных баров в галактиках оставался открытым. Решение этой проблемы основано на исследовании отклика диска на гравитационный потенциал бара. Вбыстром баре отклик имеет вид отстающих (вращающихся концами назад) спиральных ветвей, сходных с обычными отстающими рукавами спиральных галактик. Медленный бар вызывает менее тривиальную структуру отклика, которая впервые была определена В. Поляченко в г. рис. 7а)
.
Она состоит из отходящей от концов бара туго закрученной лидирующей (вращающейся концами вперед) спирали, которая вузкой радиальной области диска совершает, как правило, половину оборота до резкого перехода восновные отстающие спиральные ветви. В 2000 г, входе анализа результатов наблюдений спиральной галактики NGC 157, в центральной части ее диска была обнаружена именно такая структура, которую можно было проследить по линиям максимальных значений второй гармоники распределения поверхностной яркости в различных диапазонах длин волн рис. б. Так было впервые доказано существование медленных баров в реальных галактиках и подтверждены сделанные ранее нетривиальные теоретические предсказания.
А ль м ан ах КОСМОС ИЗ ЖИЗНИ СПИРАЛЬНЫХ ГАЛАКТИК
(против часовой стрелки) видно по центральной части диска, эти вихри называются антициклонами. Центры вихрей находятся в окрестности коротационной окружности в соответствии с теоретическими выкладками и лабораторным моде+
лированием.
Описанным методом были восстановлены поля скоростей десятка галактик, имеющих регулярную спиральную структуру, и во всех случаях обнаружены гигантские антициклоны рис. 5б).
Дальнейшие теоретические исследования полей скоростей газовых дисков показали, что при достаточно высокой амплитуде спиральной волны плотности в них помимо антициклонов могут существовать и циклоны. Если антициклоны находятся между спиральными рукавами, то циклоны, согласно расчетам, должны располагаться в области спиральных рукавов (риса, где А антициклон, С – циклон,
σ
max
,
σ
min
, 0(
σ) – линии максимумов, минимумов и нулевой величины возмущенной поверхностной плотности диска соответственно. Например, линия
σ
min проходит между спиральными рукавами,
σ
max
– на гребне спиральных рукавов и т.д., а пунктирная окружность проведена на коротации). Выбрав спиральную галактику NGC 3631 и восстановив полное векторное поле скоростей ее газового диска в системе координат спирального узора, ученые на основании проведенных расчетов обнаружили гигантские циклоны как разв тех областях диска,
где и ожидали (рис. б, где длинная кривая, состоящая из кружков со звездочками, соответствует
σ
max
, сплошной круг – коротационная окруж+
ность).
82
Г А ЛАК ТИКИ bbА л е к сей Фри дм ан Рис. 3. Галактика Mrk 1040 со скачком скорости на кривой вращения, где впервые были обнаружены гигантские антициклоны а) Усредненная по азимуту кривая вращения со скачком скорости. Точки – точки наблюдения вдоль линии узлов (те. линии пересечения плоскости галактики к плоскости неба, перпендикулярной лучу зрения б) Распределение лучевых скоростей (вдоль луча зрения. Синий цвет означает движение к нам, красный – от нас. Более насыщенный цвет соответствует большей величине скорости. Проведенные сплошными линиями спирали соответствуют максимумам плотности спиральных рукавов. Обнаруженные антициклоны между спиральными рукавами обозначены эллипсами со стрелкой, указывающей направление вращения вихря.
МЕТОД РЕШЕНИЯ НЕКОРРЕКТНОЙ ЗАДАЧИ
Суть метода такова. Требуется определить пять составляющих поля скоростей системную скорость V
сис
– скорость центра масс галактики, скорость вращения диска ври три компоненты скорости диска в волне плотности V
r
, V
f
, V
z
– так называемые возмущенные скорости. Нетрудно найти связь этих пяти скоростей с измеряемой скоростью вдоль луча зрения Vизм:
V
изм
= V
сис
+ (V
r sin
φ + V
вр
+ V
φ
cos
φ) sini + V
z cos Здесь f – азимутальный угол, r – радиус в галактоцентричес$
кой системе координат, i – угол наклона плоскости галактики к плоскости неба (перпендикулярной лучу зрения).
Возмущенные скорости V
r
, V
f
, V
z заметно меньше скорости вращения ври их симметрия определяется формой спирального узора (в дальнейшем ограничимся рассмотрением двухрукавных галактик, составляющих подавляющее большинство подобных образований с регулярной спиральной структурой. Это обстоятельство позволяет представить возмущенные скорости в виде,
φ) = C
r
(r) cos(2
φ – F
r
(r)),
V
f
(r,
φ) = C
f
(r) cos(2
φ – F
r
(r)),
(2)
V
z
(r,
φ) = C
z
(r) cos(2
φ – Представление возмущенных функций в упрощенном виде есть первое предположение, необходимое для решения данной некорректной задачи.
Ниже будут представлены аргументы в пользу справедливости такого приближения для реальных галактик.
Подставляя выражение (2) в соотношение (1), получим разложение измеряемой скорости V
изм вряд Фурье по азимутальному углу, содержащее гармоники от нулевой до третьей включительно. Разложив известную из наблюдений лучевую скорость V
изм вряд Фурье, определяем коэффициенты Фурье вплоть до третьей гармоники включительно. Их оказывается семь a
0
, a
1
, b
1
, a
2
, b
2
, a
3
, b
3
, где a i
– коэффициенты при cos, а b
i
– коэффициенты при Для определения восьми неизвестных функций V
сис
, V
вр
, C
r
,
F
r
, C
φ
, F
φ
,C
z
, F
z
, требуется еще одно соотношение между ними. В качестве дополнительного уравнения используется ка$
кое-либо из гидродинамических уравнений, связывающее различные параметры волны плотности между собой, ив этом состоит второе (и последнее) предположение, необходимое для решения некорректной задачи.
Рис. 4. Фурье-спектры возмущенных поверхностей плотности (аи лучевой скорости (б).
Рис. 5. Гигантские антициклоны в системе координат,
вращающейся вместе со спиральным узором а) Галактика NGC 157 ; б) Галактика NGC 1365
Нас окружает неведомая Вселенная, где звезды занимают менее 1% ее массы, а весь разреженный газ и другие формы обычного вещества меньше 5%. Мы говорим темное вещество и темная энергия – на самом деле не совсем понимая, что кроется за словами. Уже 70 лет астрономы собирают косвенные доказательства существования темного вещества,
но их недостаточно и они не дают представления о свойствах гипотетического вещества. Известно только, что темное вещество, концентрируясь,
увеличивает массу галактики более крупных структур, таких как скопления галактики наверняка состоит из еще не открытых элементарных частиц. Темная же энергия, несмотря на сбивающее столку сходство названия, – совершенно иная субстанция, включенная в картину мира только в 1998 г. Она равномерно распределена в пространстве и вызывает ускоренное расширение Вселенной.
Сущность темных элементов Вселенной раскроет не астрономия, а корпускулярная физика.
В последние годы ученые этих отраслей науки провели совместные симпозиумы по источниками детектированию темного вещества и темной энергии Вселенной, ближайший из которых состоится в феврале 2004 г. в Марина+дель+Рей шт. Калифорния. Обнаружить и изучить темное вещество, используя методы, применяемые при исследовании позитронов и нейтрино, – основная идея, обсуждаемая на таких встречах. Ученые ищут доказательства существования темного вещества непутем наблюдения далеких объектов,
а в земных условиях.
Поиск частиц темной материи – один из самых сложных экспериментов в физике элементарных частиц (здесь следует упомянуть, что экспериментальное изучение природы темной энергии намного сложнее, чем обнаружение частиц темного вещества. На первом симпозиуме в феврале г. участники выразили сомнение в том, что имеющиеся детекторы частиц смогут обнаружить темное вещество, так каких чувствительность в тысячу раз ниже требуемой. С тех пор она повысилась враз и вскоре увеличится еще настолько же. Возможно, мы вскоре узнаем, как выглядит Вселенная, или докажем существование темного вещества, или пересмотрим теории в современной физике.
Через увеличительное стекло
Из каких частиц может состоять темное вещество Очевидно, что темное вещество не состоит из протонов, нейтронов или из чего+либо, в чей состав входят протоны и нейтроны, таких, например, как массивные звезды, ставшие черными дырами. Согласно расчетам первичного
А ль м ан ах КОСМОС Расширяя границы познания
В астрономии пока неизвестны случаи, когда открытия делались бы на основании результатов лабораторного моделирования с помощью специально разработанной экспериментальной установки. Все описанные выше структуры обладают совершенно иной физической природой, чем все известные до сих пор. Именно поэтому работы в этой области существенно расширяют границы познания динамических процессов, протекающих в спиральных галактиках. Такие открытия,
как, например, гигантские вихри, по значимости ничуть не уступают обнаружению спиральных рукавов галактик. Однако если последние не несут почти никакой информации о динамике диска, в котором они образовались, то расположение вихрей указывает как на местоположение основного, коротационного резонанса галактики, таки на механизм неустойчивости, породивший спирально-вихревую структуру. Таким образом,
можно сказать, что гигантские вихри являются
«динамическим портретом галактики. Итак же как состояние атмосферы в значительной степени определяется распределением циклонов и антициклонов, динамика галактики характеризуется ее вихревой структурой.
Описанный выше метод восстановления полного трехкомпонентного поля лучевых скоростей из однокомпонентного поля лучевой скорости, использующий естественные для данной задачи два дополнительных предположения, применим для решения некорректных задач, постоянно встречающихся в науке и технике. Наконец, многолетняя работа ученых над обнаружением предсказанных структур стимулировала мощное развитие техники наблюдений. В частности, описанные выше исследования потребовали перехода к бесщелевой спектроскопии и способствовали созданию на БТА, крупнейшем в Европе телескопе,
современного измерительного комплекса на основе сканирующего интерферометра Фабри-Перо и пакетов обрабатывающих программ к нему.

(«В мире науки, №1, ГАЛАКТИКИ bbА л е к сей Фри дм ан Рис. 6. Циклоны и антициклоны в полях скоростей газовых дисков а) А – антициклон, С
– циклон,
σ
max
,
σ
min
, 0
(s)
– линии максимумов, минимумов и нулевой величины возмущенной поверхностной плотности диска соответственно. Например, линия
σ
min проходит между спиральными рукавами,
σ
max
– на гребне спиральных рукавов и т.д., а пунктирная окружность проведена на коротации; б) Длинная кривая, состоящая из кружков со звездочками, соответствует
σ
max
, сплошной круг – коротационная окружность.
Рис. 7. Медленные бары галактика) Структура отклика медленного бара, состоящая из лидирующей спирали у концов бара) и отстающей спирали (теория б) Аналогичный отклик медленного бара в центральной части спиральной галактики NGC ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОТКРЫТИЯ НОВЫХ СТРУКТУР В СПИРАЛЬНЫХ ГАЛАКТИКАХ

ПОИСКИ ТЕМНОГО ВЕЩЕСТВА
Дэвид Клайн
В нашем воображении темное вещество – нечто, находящееся в неведомом мире. Нам не дано понять его сущность до тех пор, пока оно не будет исследовано в земных условиях.
ОБЗОР: ПОИСКИ ТЕМНОГО ВЕЩЕСТВА
ложения, строя детекторы для обнаружения потока темного вещества, пронизывающего Землю Частицы темного вещества не склонны взаимодействовать с обычными атомами,
однако такие контакты иногда происходят частица темного вещества рикошети$
рует от атомного ядра, которое испытывает отдачу, и стал$
Частицы темного вещества
Соударе$
ние с атомом
Радиоактивный распад
Большинство астрономов считают, что Вселенная заполнена темным веществом. Но подтвердить гипотезу и определить свойства гипотетического вещества не позволяет недостаточная точность наблюдений. Исследователи в области корпускулярной физики пытаются выйти из по$
кивается с окружающими атомами, выделяя энергию в форме тепла или света Трудно отличить выделение энергии от радиоактивного распада. Возможно, именно поэтому появились сообщения об обнаружении темного вещества.
отс тающая спираль лидирующая спираль Бар
Что свидетельствует в пользу того, что оно ив самом деле является темным веществом.
Как обнаружить темную материю
Ученым необходимо выяснить, как частица контактирует с обычным веществом. Астрономы полагают, что взаимодействие может быть только гравитационным, те. самым слабым из всех известных в природе. Если это так, то у физиков нет шансов обнаружить нейтралино. Однако возможно, что предположение астрономов – всего лишь удобная аппроксимация нечто, позволяющее описывать космические структуры без учета конкретных свойств частиц.
Согласно теории суперсимметрии, во взаимодействиях нейтралино должны участвовать силы, более мощные, чем гравитационные силы слабого взаимодействия. Подавляющее большинство нейтралино будет проходить сквозь слой вещества без всякого контакта, но изредка некоторые из них будут сталкиваться с атомными ядрами и передавать им небольшую часть своей энергии. Малая вероятность и слабость таких взаимодействий компенсируются огромным количеством частиц, ведь предполагается,
что темное вещество преобладает в Галактике.
Будучи темным, оно не может и собираться в субгалактические сгустки вроде звезд или планет, так как неспособно терять энергию путем испускания излучения. Вещество заполняет межзвездное пространство, подобно газу, анаша Солнечная система обращается вокруг центра Галактики, продираясь сквозь газ со скоростью 220 км/с см. рис. 1 стр. 90)
. По оценкам астрономов, через квадратный метр площади каждую секунду пролетает миллиард частиц темного вещества.
Лешек Рошковски (Leszek Roszkowski) и его группа из Ланкастерского университета в Англии рассчитали интенсивность взаимодействия нейтралино с обычным веществом она находится в пределах от 0,1 до 0,001 контакта в килограмме обычного вещества в сутки. Сегодняшние детекторы способны обнаружить интенсивности,
близкие к верхней границе диапазона. Главная проблема сейчас нечувствительность детекторов, а радиоактивный фон вокруг нас. Все материалы на Земле, включая металлы, из которых
А ль м ан ах КОСМОС ПОИСКИ ТЕМНОГО ВЕЩЕСТВА
термоядерного синтеза частиц входе Большого взрыва, их слишком мало, чтобы составить темное вещество. Результаты расчетов сопровождались измерениями первоначальных количеств водорода, гелия и лития во Вселенной.
Нейтрино, пронизывающие пространство и не вступающие в контакт с другими атомами,
могут составлять лишь малую долю темного вещества. Эксперименты показали, что масса нейтрино очень мала и эти частицы слишком горячите. на ранних этапах формирования
Вселенной двигались почти со скоростью света, а значит, из них не могли сложиться наблюдаемые космические структуры. Лучше всего согласуется сданными астрономических наблюдений представление о холодном темном веществе, состоящем из еще не открытых тяжелых и медленных частиц. Теория суперсимметрии предполагает существование нового семейства элементарных частиц по суперпартнеру для каждой известной частицы. Гипотетические новые частицы должны быть тяжелее известных. Из них наиболее привлекательно нейтралино – сочетание суперпартнеров фотона (носителя электромагнитных сил, бозона (носителя сил так называемого слабого взаимодействия) и других. Считается, что нейтралино обладает большой массой и является самой легкой и устойчивой из суперсимметричных частиц. Она не может распадаться, так как продуктами распада могут быть только более легкие суперсимметричные,
каких нет. Кроме того, нейтралино не имеет электрического заряда, и поэтому электромагнитные силы (например свет) на нее не действуют. Масса нейтралино, ее устойчивость и отсутствие заряда соответствуют требованиям к частицам холодного темного вещества.
Теория Большого взрыва позволяет оценить число нейтралино, возникших в горячей первичной плазме космоса, которая представляла собой хаотическую смесь всех видов частиц. Ни одна из них не могла просуществовать долго она сталкивалась с еще одной, обе аннигилировали, но при этом порождали другие, которые продолжали процесс разрушения и созидания. По мере того как мир подвергался расширению и охлаждению,
энергия столкновений падала, и частицы стали конденсироваться.
Нейтралино – частица, несклонная к столкновениями поэтому конденсация происходила на самых ранних этапах. Плотность Вселенной была большой, поэтому образовалось огромное число этих частиц. Оценка на основе предполагаемой массы нейтралино и малой склонности к столкновениям дает для суммарной массы всех нейтралино во Вселенной значение, близкое к оценке общей массы темного вещества в ней.
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   36

перейти в каталог файлов


связь с админом