22. Распределение водорода в Галактике

В разделе 1 говорилось о том, что плоские и промежуточные подсистемы Галактики вращаются, причем нейтральная часть вращается с постоянной угловой скоростью, подобно твердому телу, а в более внешних слоях угловая скорость падает с расстоянием от центра. Межзвездный газ тоже принимает участие в этом вращении. Изменение угловой скорости с расстоянием, называемое дифференциальным вращением, может быть обнаружено по лучевым скоростям звезд и газовых масс. Чтобы пояснить это, обратимся к рис. 17, изображающему скорости вращения звезд в некоторой области около Солнца, которое обозначено кружком. Центр Галактики находится слева от рисунка. Звезды первого ряда (А, В, С) обгоняют Солнце. При этом звезда Л удаляется от Солнца, звезда С приближается, а относительная лучевая скорость звезды В равна нулю. Аналогично звезда К удаляется, F приближается, а расстояние до звезд G, D и Е не изменяется. Следовательно, в четырех направлениях, отличающихся на 90°, лучевая скорость, вызванная вращением Галактики, равна нулю, и в четырех направлениях она максимальна по абсолютной величине, достигая 20 ^км/_сек для звезд, отстоящих от Солнца на 1000 парсеков. Для каждого данного направления лучевая скорость пропорциональна расстоянию. Этот метод позволяет по лучевой скорости оценить расстояние до звезды. Правда, собственная скорость звезды относительно соседних вносит ошибку, но она не очень существенна для далеких звезд, у которых систематическая слагающая скорости больше, чем случайная. Сравнительно надежные результаты можно получить, если применять метод не к отдельным звездам, а к группам их.

Рис. 17. Дифференциальное вращение Галактики. Кружком обозначено Солнце

При этом случайные компоненты в среднем уничтожаются, и расстояние до группы определяется более уверенно. Данные Адамса подтверждают, что лучевые скорости сильных компонентов межзвездных линий подчиняются закону дифференциального вращения, по крайней мере качественно, так как точные расстояния до облаков неизвестны.

Для того чтобы применить радиоданные к изучению распределения межзвездного водорода, принимается, что закон дифференциального вращения, выведенный из наблюдений не очень далеких звезд плоских подсистем справедлив не только качественно, но и количественно для межзвездного газа. Однако для больших расстояний закон вращения Галактики известен плохо, так как очень далекие звезды слишком слабы для определения их лучевых скоростей с достаточной точностью, да и расстояния их плохо известны. Особенно это относится к внутренним частям Галактики, где больше концентрация масс и труднее рассчитать закон вращения теоретически.

К счастью, сами радионаблюдения позволили определить скорость вращения внутренних частей Галактики. Чтобы выяснить, как это делается, обратимся к рис. 18. Лучевая скорость относительно точки О (окрестности Солнца) сначала растет с увеличением расстояния вдоль луча зрения OA. В точке касания А она достигает максимума и затем вновь убывает. Скорость вращения в точке А просто равна максимальной лучевой скорости газа, наблюдаемой в данном направлении. Наблюдая в разных направлениях (но в галактической плоскости), можно определить скорость вращения на разных расстояниях от центра. Это позволяет, в частности, узнать, как распределены в Галактике массы, определяющие ее поле тяготения (в основном, звезды), так как скорость вращения сразу показывает, чему равно ускорение силы тяготения в данной точке.

Рис. 18. Определение скорости вращения газа

Зная закон галактического вращения, можно по известной лучевой скорости определить расстояние объекта, если случайные скорости малы сравнительно с систематическими. Поэтому профиль линии 21 см, показывающий, какая доля атомов имеет различные лучевые скорости, позволяет определить, как меняется плотность водорода с расстоянием. Некоторые трудности возникают из-за того, что во внутренних частях Галактики данной лучевой скорости соответствуют два значения расстояния до и после точки А. Однако с этим можно справиться, используя то обстоятельство, что в более далекой точке слой газа кажется тоньше. Ось ординат на рис. 16, б можно считать, после некоторых пересчетов, шкалой плотности, так как излучение водорода зависит только от числа атомов. При этом нужно убедиться, что в данном направлении Галактика является оптически тонкой.

Рис. 19. Распределение водорода в плоскости Галактики по радиоизлучению 21 см

Наблюдения показали, что в тех направлениях, где дифференциальное вращение влияет на лучевые скорости, контуры действительно имеют вид, похожий на рис. 16, б. Это означает, что на определенных расстояниях плотность водорода увеличивается, потом уменьшается, вновь увеличивается и т. д. Группа голландских ученых исследовала распределение водорода в северной части Млечного Пути, а австралийские радиоастрономы - в южной части. Сводная схематическая карта, показывающая это распределение в плоскости Галактики, изображена на рис. 19. Несомненно, что водород образует спиральную структуру, хотя отдельные ветви трудно проследить в течение нескольких оборотов. Толщина ветвей равна 200 - 250 парсекам, причем она убывает с удалением от центра Галактики. Средняя концентрация водорода в них - около 1 атома в 1 см³. Между ветвями концентрация примерно раз в десять меньше. Расположение газа в ветвях было недавно подтверждено оптическими методами. Г. Мюнх (Мексика) обнаружил в спектрах относительно далеких звезд две системы межзвездных линий, лучевая скорость которых отличалась примерно на 30 ^км/_сек. Эти системы образуются в двух различных ветвях, и разность скоростей соответствует дифференциальному вращению на таком расстоянии.

В центре Галактики голландские ученые обнаружили диск газа толщиной около 130 и радиусом около 400 парсеков, который быстро вращается (скорость до 200 ^км/_сек). На расстоянии около 3000 парсеков имеется спиральный рукав, удаляющийся от центра со скоростью 54 ^км/_сек (указано стрелками на рис. 19).

Если усреднить плотность водорода, "размазав" спиральную структуру, то получается, что в центральных частях Галактики в 10 см³ содержится около 4 атомов. Затем эта величина растет, достигая примерно 1 атома в 1 см³ на расстоянии около 6000 парсеков, и потом медленно убывает. Концентрация звезд, напротив, все время убывает с удалением от центра. Поэтому в центре водород составляет ничтожную долю общей плотности вещества, а на периферии - заметную часть (до 15%). В целом газ Галактики составляет менее 2% ее массы, определяемой в основном звездами сферических подсистем.

Более 90% межзвездного водорода находится в нейтральном состоянии. Однако в поясе с радиусом 3000 - 3500 парсеков доля ионизованного водорода достигает 40%. Как уже говорилось, это означает, что там имеется большое число горячих звезд. Значение этого факта для теории образования и эволюции звезд несомненно.

Кроме нашего Млечного Пути, были исследованы другие близкие галактики, особенно туманность Андромеды. У нее также установлена концентрация нейтрального водорода в ветвях, причем обнаруживаются ветви, столь далекие от центра, что оптическое (звездное) излучение там уже не заметно. Был определен закон вращения туманности Андромеды и вычислено распределение масс в ней. Доля межзвездного газа в этой галактике несколько меньше, чем в нашей, - около 1% полной массы.