Модели неоднородной протогалактики тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

МСУДКС ВАСИЛИС ^—-

УЯК 524.4

КОБЕЛИ НЕОДНОРОДНОЙ ПРОТОГАДАКТИКИ Специальность 01.03.02 - астрофизика, радяоастроно?Ш1

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на с оме кап и о учёной степени кандидата физико-математических наук .

Москва 1994

Работа выполнена на кафедре астрофизики и звёздной астрономии физического факультета МГУ

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор ЛД.Чернян Социальные оппоненты:

доктор физико-ыатеыатических наук, профессор Ю.Н.Ефремов

Ьоктор ^из^о-леггемолгически* неук,

Са<рронов B.C.

Ведущая организация: Астрокосмичсский центр, <МАН РФ

2ащята состоятся " /О " cii&fc'Ü 19Э4 г. в ^ час на заседании специализированного совета Московского Государственного университета ш.М.В.Ломоносова, шифр Е 053.05.51.

Адрес: II9899, Москва, Б-234, Университетский проспект, дои 13,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного астрономического института им. П.К.Штернберга МГУ. (Москва, Университетский проспект, 13).

Автореферат разослан " " _1994 г.

Учёный секретарь Специализированного Совета канд.фяз.-ыат. наук

Л.Н.Бондаренко

СЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТА

Работа посвгияена хзученя» эвоящая протогаяактакн, состоящая из "газа" облаков и м о?, облачи о го газа я ез взаимодействие с галакт;пбск;г1 ветром.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ

Проблема образования структура во Вселенной является одной из сачых вазишх проблем в астрофизика. В тот числе галактики я скопления галактиа как самые' крупномасштабные концентрация масса представляют собой большой интерес.

С тех лор как 1аб6л обнаружил, что туманность Апдрогледы является большоЗ звёздной системой пак и Млечной путь, внегалактическая астрономия имела большое развитие. Основные данннз подученные наблюдениями следувдие:

I) Галактики не все одинаковые, а резделяэтея на разные морфологические типы: эллиптические, спиральные п иррегулярные.

I) эллиптические ж с ют сфероидальную схег.г/. 7 них маленький угловой момент, и гравитация балансируется стохастическими скоростями звёзд. Газа у них мало, и звездообразование совершилось несколько миллиардов лет назад/

и ) спиральные тлеют дисковую схему я большой угловой момент. Гравитация в них балансируется вращением. У них значительное количество газа, и звездообразование продолжается до сих пор.

;п) Иррегулярные имеат страннув схему и кинематику. 7 них газа очень много и часто показывают, что в них произошел недавний взрыв.

2) В спиральных галактиках (в том числе и в нашей) наблюдаем явно дискретные подсистемы. Конкретно наблюдаем сферическое и очень разрежённое гало с маленьким угловым моментом, которое состоит из самых старых и бедных тяжёлыми элементами ззёзд; плоский диск с большим утловш моментом, состоящий из молодых

и богатых тяжелыми элементам звёзд. Разрыв возрастов между диском и гало нашей галактики примерно 5 миллиардов лет. Поверхностная светимость диска шест экспоненциальный профиль с центральной дырой; балдх со свойствами между диском и гало.

3) В эллиптических галактиках не можем наблюдать явно дискретные подсистема, но,во-первых,у всех наблюдается разрежённое гало и} во-вторых, моде га, которые опираются на существование дискретных подсистем в эллиптических галактиках,дают результаты в соответствии с наблюдениями про них.

4) Гигантские эллиптические галактики окружаются горячил, диффузным газом, который излучает в рентгеновском диапазоне. Его рентгеновская светимость примерно пропорциональна квадрату оптической светимости галактики.

5) Более массивные галактики имеют большее количество тяжёлых элементов на единицу массы.

6) В скоплениях галактики находится большое количество горячего п богатого металлами межгалактического газа, который излучает в рентгеновском диапазоне.

7) Свойства галактики зависят от локальной плотности Вселенной. В областях большой плотности чаще встречаются эллиптические галактики, а в областях маленькой плотности встречаются в основном спиральные галактики. Кроме того радиус и металличность галактики и металличность межгалактической среды также зависят

от локальной плотности Вселенной.

8) Кроме видимого вещества есть и невидимое, тёмное вещество. Расчёты показываю?, что его касса больше чем 90$ полной кассы Вселенной. И^так на одна теория не монет игнорировать тёмное вещество.

9) Большое количество тёмного вещества окруяает галактики

и называется темним гало. Тем:-: о о гало наиболее компактно у эллиптических галактик и наименее компактно у иррегулярных.

10) Отношение массу тёмного гало и светлого вещества в галактиках не зависит от их массы.

Следовательно несколько теорий были предложены для того, ' чтобы объяснять эти наблюдательные данные. Конкретно было предложено, что:

1) Первичные облака с массой ~103 - 10® М0 образуются до образования т-алактик. .

2) Эллиптические галактики образуются кедиссипатпвнш коллапсом (коллапс без потеря энергии), а спиральныэ образуются после значительной потеря энергии.

3) Условия для недиссипатявного коллапса наиболее благоприятны в областях ВселэняоЯ с большой плотностью,и так можно объяснить,почему в этих областях встречаются эллиптические галактики, а в областях с маленькой плотностью встречаются спиральные.

4) Галактики образуются и эволюционируют по простой модели, т.е. скорость звездообразования и эволкщия звёзд не зависит ни от времени, ни от химического состава.

5) В -эллиптических галактиках звездообразование происходит

в одной фазе, а в спиральных в двух или больше. Соотношение —? ьл °>Ч

% ^ Л5 объясняется тем, что галактики теряют массу

и наиболее массивные галактики теряют наименьшею ^олю массы.

6) Галактики образуются после того как образуется прото-гапактика. Она состоит из газа и облаков. Звезда образуются из этих первичных облаков,

7) Никакой стационарной лротогалактики не образуется.

После возникновения начальных возмущений, вещество концентрируется всладствии своего гравитационного поля. Звездообразование начинается во время этого нестационарного коллапса,и прото-галактика является нестационарной промежуточной стадией метлу начальными возмущениями и звёзднь-ми галактикам.

8) Как в спиральных, так и в эллиптических галактиках звездообразование идёт в более чем одну фазу. Посла одной всцыган "вёздообра'ования газ становится горячим и более богатш тяжёяк-ми элементами. Дальнейшее звездообразование не ыоаат происходить пока газ не остынет. И тан формируются дискретные подсистемы с разрывом возраста и ь;ета л личности.

ДБЛЬ РАБОТЫ

Цель данной работы заключается в том, чтобы построить одну модель формирования и эволюции галактик, которая будет соответствовать наблюдательниц данным . Для того пользуемся одной моделью формирования галактик от склыю неоднородного состояния. Конкретно нава задача состоят в следующем:

I) Изучать возможность формирования галактик от протога-лактикя и дать ответ па вопрос , галактики формируются ля от протогалакгпки яля стационарная прото1,алактяка никогда не образуется к галактики формируются непосредственно от начальных возмущений.

2) Изучать в какой степени может модель взаимодействия галактического ветра с облачной окружавдер: средой объяснить формирование эллиптических галактик и их свойства.

3) Изучать в какой степени эта модель может объяснить наблюдательные свойства спиральных галактик и конкретно:

•) формирование диска с экспоненциальной профилью поверхностной плотности и с центральной дырой,

П) разрыв возраста между диском и гало.

4) Изучать возможность модели объяснить наблюдаемое строе- -няе скоплений галактик и конкретно:

t) существование горячето и богатого метаялаш межгалактического газа,

?Г) зависимость морфологического типа от локальной плотности.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

В данной работе впервые:

1) Изучается возможность существования квазистационарной прогогалактшеи, состоящей из "газа" облаков на хаотическом движении и мекоблачного газа.

2) Изучается формирование второго звёздного поколения в эллиптических галактиках и соответствие его с наблюдениями. Способ его формирования - взаимодействие галактического ветра с облачной окружающей средой.

3) Применяется идея бурного переноса углового момента для объяснения формирования экспоненциальных дисков с центральной дырой.

4) Применяется значение начального радиуса нгуяей галактики равно 250 кпс. Два аргумента пользуются в пользу этой идеи.

5) Предлагается одна единая теория для объяснения наблюдательных свойств спиральных галактик, эллиптических галактик в скопления галактик.

НАУЧНАЯ ЦЕННОСТЬ

1) Полученные результаты показали, что галактика образуются взаимодействием галактического ветра с облачной окружающей средой в нестационарном коллапсе.

2) Впервые удастся объяснить одновременно соотношения

, и эмпирический факт, что отношение

светлого и тёмного вещества в галактиках не зависит от массы системы, не отказавшись от разумного предположения, что начальная сиесь светлого и тёмного вещества во Вселенной была однородной.

3) Впервые показывается, что основные соотношения эллиптических галактик являйся прямыми следствиями того, что эллин--тические галактики чаще всего находятся в скоплениях галактик.

4) Впервые удаётся дать надёжный ответ в проблеме происхох-дения центральных дыр в дисках спиральных галактик: произошел бурный перенос углового момента. Механизм этого переноса выясняется.

5) Впервые предлагается одяа теория, которая может объяснить Еабвдатешше данные спиральных и эллиптических галактик и одновременно дать ответ ка вопросы:

О Почему эллиптические галактики предпочитает области с большой плотностью, а спиральные предпочитают области с маленькой плотностью?

Я) Каково происхождение горячего и богатого тякёяыми элементами межгалактического газа в скоплениях галактик?

ПРАКПГ^ХАЯ ЦЕННОСТЬ

1) ¡Модель изучения квазистационарного коллапса облачной протогалактжи (глава 2) моеот использоваться для изучения аккреции в галактиках, облаками формируемы.« тепловой яеустоЙ-'чив остью в горячих коронах.

2) Модель взаимодействия галактического ветра с облачней окружающей средой (главы 3,4) монет использоваться и для изучения аккреция в протозвездах.

НА ЗЛВДТУ ВЫНОСЯТСЯ

1) Условия для существования квазистационарных слоев в протогалактиках, состоявших из облаков и меаоблачвого газа.

2) Выводы, что:

i) Металлячяость эллиптических галактик с одинаковыми кассами светлого вещества зависит от массы тёмного гало.

Н) Металличносгь межгалактического газа не одинакова во всём объёме скопления.

3) Один элективный механизм переноса углового момента, который приводит к образованно

i) Центральных дыр в дисках галактик,

II) облаков HI на больших расстояниях от галактического центра.

4) Объяснение того, что эллиптические галактики находятся преимущественно в областях с больной плотностью, а спиральные предпочитают области с маленькой плотностью.

АЛРОЕАЩЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результата работы докладывалась:

1) На семинаре по физике галактик в ГАИИ (1992 г.).

2) Кг третьем съезде международного астрономического общества (Москва 1393).

СТРУКТУРА И ОБЪИ 1ИСС*?ТА1Ш

Диссертация состоят из четырёх глаз и заключения. Обвдй объем диссертации страниц. Из них -Iff страницы

текста, 18 рисунков, 28 таблиц. Список литературы содержит 150 названий.

СОИЕРдАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава разделяется на три части: в первой части описываются наблюдательные данные про наш; галактики, других галактик, скоплений гапахткк я земного вещества. Наша галактика состоят из двух главных подсистем, ди^к а гало, которые сильно отличаются. Звёзды диска богатые тязЬ'лкг.я эдементкла. Саи распределяются на диске, движутся по. почтя круговым орбитам в имеют болыцую скорость врадення п маленькую скорость хаотического движения. Ззйзды гало бедные тят-ёт-м элементами, распределяется в сфере, движутся по сильно вытянутей орбитам и имеют маленькую скорость вращения и больцую скорость хаотического движения.

Есть сильное указание, что дискретные подсистемы км сот не только нааа галактика и другие спиральные галактики, а также и эллиптические галактики. Средняя ыеталллчность у них связывается со звёздно?, массой соотноаекяем Zs« /Ч^'1* . Эллиптические галактики окрукаются горячим, диффузным газом, который

излучает в ронтгенов^см Его рентгеновская светимость

связывается с оптической светимостью галактики соотношением - 1\ .

1'орфологическиЗ тип галактики зависят от его места в скоплении. Конкретно эллиптические галактика предпочитает области с большой платности:, £ спиральные галактики предпочитают области с маленькой ппот.чсстье. Кроме того размеры н металличностн галактик разные для галактик поля, иррегулярных скоплений (Дева), рехулярних скопления (Ко.а).

В скоплениях галактик наблюдается горячий, диффузный газ с солнечным химическим составом. Его мета л личность больше в центре скопления, чем на периферии.

Галактики окрукаютея коронами темного вещества. Возложяо, что двойные и тройные системы имеют об!дув корону. Такзз возможно, что короны тёплого вещества окружают целые скопления галактик. Крале корон есть я "внутреннее?" тёмное вещество, которое находится в том месте, гдо и звёзды галактики. Отношение тёмного К светлому веществу находится мезду 10 и 100. Оно не зависит на от светлой массы галактики, ни от морфологического типа. Однако у раин.7х галактик темное вещество болео компактное, чем у поздних.

Во второй части описываются несколько теорий формирования и эволюции галактик в сопоставления с наблюдательными данными.

Модель форл:гровалия эллиптических галактик недиссипативюгм коллапсом нэ моает объяснять соотношение масса - металличность, простая модель стапглзается со шюгяма проблемами,я наконец мы обязаны признать, что:

а) спиральные галактики не образуются полностью как простая модель указывает,

6} Если эллиптические галактики образуется как простая модель указывает, тогда начальная смесь светлого и тёмного вещества во Вселенной не была однородной.

Модель формирования галактик от протогалактпки состоящей из "газа" облаков в хаотическом движении и иежоблачного газа (Аримото и Поник 1937), во-первых, не может объяснить существование ые&галактического газа в скоплениях галактик и,во-вторых, оказывается, что предлагаемое начальное состояние никак не может появиться.

В третьей частя описывается горячая модель: Первое звёздное поколение взрывается как сверхновые звёзды. Итак, газ нагревается до температуры вып^ириальной. Следовательно, газ улетает. Дальше часть его охлаждается к возвращается в систему и образует

;орое звёздное поколение. Эта модель может объяснить дискретность подсистем, существование горячего межгалактического газа с солнечным составом и несколько эмпирических соотнокений для эллиптических галактик. Однако модель ещё не : полная, потому что детали предлагаемого к^хдтт'а не выясняются.

Во второй главе изучается протогалактика , состоявшая из "газа" облаков в межоблачного таза. Гравитационная сила балансируется хаотическими движениями облаков и высокой температурой межоблачного газа. Такая система может бить квазистационарной только," если время свободного падения моньпе^чем характерное время столкновения облаков. Считаем, что: а) давление межоблачного газа равно давлению газа, находящегося внутри облаков, б) масса каждого облака меньше, чем масса Джинса.

Изучаем самые различные протогалактики: Масса светлого вещества от ю' до Ю12 М0 , средняя плотность от Ю-21 до

Ю-29 г/см3, отношение массы облачного вещества к массе мех-облачяого газа о- 0,1 до 100, плотность может' быть независимой от расстояния от центра, но может быть и обратно пропорциональна квадрату расстояния, тёмное вещество мсжзт быть распределено по изотермическому закону с плотностью М/Р> = 10^ Ые /кпс, во мояет быть и перемешеносо светлым веществом в однородной смеси. Ещё каждая протогалактика изучается в различных расстояниях от центра, потому что мы рассчитываем, что одна протогалактика мо-кег быть квазистационарной в одяом радиусе и нестационарной в другом.

Результаты таковы:

а) ни одного квазистационарного состояния не может существовать без присутствия значительного количества тёмного вещества ;

б) распределение тёмного вещества сильно влияет на результату

в) системы с большой массой и маленькой плотностью имеют более шансы быть квазистационарнымя, чем системы с маленькой массой или большой плотностью;

г) система с маленькой массой имеет больше шансов быть квазястациопаряой, если масса обладав относительно велика, а система с большой массой имеет больше шансов, если масса облаков относительно маленькая. В обоих случаях очень маленькие я очень большие отношения масса облаков - масса межоблачного газа редко дают квазистационарное состояние;

д) если тёмное вещество распределяется по изотермическому закону, тогда квазистационарные состояния встречаются преигцуцв-ственно на маленьких расстояниях от центра и при однородном рас-

пределении светлого вещества;

е) если тёмное и светлое вещество образуют однородную смесь, тогда квазастацаонарнае состояния встречаются преимущественно на. больших расстояниях от цзнтра, но когда плотность вещества сильно уменьшается к периферии;

к) только самые массивные и диффузные протогалактики могут быть квазистациоиарными для любого расстояния от центра. Однако и в этих случаях есть несколько проблем;

з) несмотря на то, что во многих ситуациях такая протога-лактика может бить квазистационарной, нестационарное состояние намного более надежно;

н) такая иодель может объяснить формирование гало нашей галактики: внешне звёзды образовались от первичных облаков и внутренние звёзды образовалась быстрым коллапсом прогогалахтики. По этой модели наша галактика ве может быть формирована от квазистационарной протогалактики, в согласии с кинематикой звёзд гало.

В третьей главе численно репается одномерная газодинамическая задача взаимодействия галактического ветра с облачной окружакцей средой.

Под действием ветра облака испаряются и их первичное вещество перемешивается с богатыми металлам газом ветра. Модель нестационарная в согласии с результатами второй главы. Изучаются системы с различными кассами и размерами и главные результаты таковы:

а) газ облаков к ветра смешивагпся. Внешние слоя этой смеси покидают галактику навсегда. Внутренние слеп образуют второе звёздное поколение и промежуточные слои образуют горячую корону;

б) смешивание богатого газа ветра и первичного газа облаков не однородное- В зависимости от различных параметров системы, второе поколение может быть более или менее богатым,чем меж;- . галактическая среда;

в) при постоянны* массах светлого вс-щества и галактического ветра, моталлпчность зависит от массы тёмного гало;

г) из изучаемых моделей выделяем те, которые удовлетворяет соотношения и 1х »< . От них мы получаем следующие результаты:

I) смесь светлого и тёмного вещества однородная как сегодня, так и первоначально.

п) Главная часть масса галактик приходит к ним аккрецией. Катгдая галактика захватывает массу, находящуюся на расстояния меньше, чем от её центра. Радиус связывается с

массой системы соотношением 1А111 Это значит, что гравитационная сила на поверхности на .зависит от массы системы.

Последний результат находятся в согласии с тем, что эллиптические галактики находятся в скоплениях: вецество захватывается протогалактикой только,если в данной точке гравитационная сила протогалактикя превнгает гравитационную сипу скопления галактик.

д) Для типичного сзорхскопления считаем радиус , внутри которого доминирует гравитационное поле и оказывается, что этот радиус совпадает с радиусами моделей, находящихся в согяа-

-г I I

сии с соотношениями и .

е) Поскольку модели с другим радиусом не дают результаты в соответствия с соотношениями и

приходим к выводу, что эти соотношения являются непосредствен-«

ними последствиями того факта, что эллиптические галактики находятся в скоплениях.

Б четвертой главе решается двухмерная задача взаимодействия галактического ветра с облачной окрукакщей средой. Изучаются модели без ветра и облаков, модели без облаков и модели с ветром и облаками. Получаем такие результаты:

а) Взаимодействие облаков и менобдачного газа приводит к бурному переносу углового момента.

б) Модели без ветра и облакоз могут дать притачные результаты только, если температура окру*ающего газа сильно падает от центра к периферии. Однако даае в этом случае результаты не очень надёжные.

в) Модели без облаков дают "результаты в явном прот,шоречм с наблюдениями.

г) Модели взаимодействия галактического ветра с облачной окружающей средой могут дать результата в соответствии с наблюдениями.Конкретно могут дать экспоненциальные диски с центральными дырами. Одновременно они могут объяснить разрыв возраста между диском и. гало и ещё и формирование толстого диска.

д) Модели взаимодействия галактического ветра с облачной окружающей средой могут также объяснить существование облаков Н1 в больших расстояниях от центра галактики.

е) Вследствли бурного переноса углового момента, начальный профиль угловой скорости влияет на окончательный результат многообразно.

В заключения описываются главные результаты диссертации и общий вывод, полученный сопоставлением всех глав: спиральные и эллиптические галактики образуются нестационарной аккрецией вещества. При маленькой плотности образуются вихри с большой

угловой скоростью,» при одинаковых угловых скоростях аккреция из большого расстояния приводит к формированию систем с большим удельным угловым моментом. Итак, спиральные галактики образуются в областях с маленькой плотностью, аккрецией от больших расстояний, а эллиптические галактики образуются в областях с большой плотностью аккрецяй от маленьких расстояний.

ПУБЛИКАЦИИ

1) Мисуляс В. "Взаимодействие галактического ветра с облачной окружающей средой и свойства эллиптических галакглк". /строя.журнал I9S4, т.7Í, ¡ып.1

2) ТЬе tvoíu-tio« o-f

of -the s\-ze.J t>y V-Mlssou^is

Aí"tголому <vviá Astroplysícs lnv«íacrt'iovis>?B печати

3) Д «"cCuud^» sceviaoo oí -¿W ■forMe.-iíow of

ico.? ^íH^xxies^ ty V. Míssoa£ís

Ar-fe royiov^^ oond Tr».wsaeéíovis» в печати

*f¡ Cri-fcería -Por a qu.o>.íi-5-to.-fciov1a.v-y co^Ca-fse of a. cCoiaJ^ f>roío<j-<\@.cKX.y , b^. Míssouíís

<cs o-yij jciív>ce>> 8 пйчлти

ЛИЧНОЕ УЧАСТИЕ АВТОРА

Работа полностью приготовлена автором. Единственное исключение - численный метод для третьей главы,который был сделан Борманом.