Известно, что любые астрономические объекты вращаются вокруг своей оси. Вращаются планеты, вращаются их спутники, вращаются звездные системы и целые галактики.
Менее известно то, что если остальные объекты вращаются, как правило, без всяких законов - каждый со своей угловой скоростью, одни быстрее, другие медленнее - то вращение галактик обычно подчинено достаточно строгим правилам.
читать дальше
Более сорока лет назад Ричард Брент Талли и Джеймс Ричард Фишер обнаружили странное обстоятельство - светимость спиральных галактик (абсолютная) оказалась очень сильно связана с шириной линии нейтрального водорода в их спектре. Подчеркиваю - не с интенсивностью, а с шириной.
читать дальшеА отчего спектральная линия вообще имеет какую-то ширину? Ширина спектральной лини говорит о том, что ее формируют фотоны разных энергий. Казалось бы, атом (в данном случае, нейтрального водорода), переходя из возбужденного состояния в основное (то есть конечно, когда электрон в атоме переходит с более высокой на самую низкую орбиту) излучает фотоны строго определенной энергии. Следовательно, мы должны принимать фотоны лишь одной энергии, и ширина спектральной линии должна быть нулевой.
На самом деле, не совсем так. Если некоторые атомы излучают фотон, двигаясь к нам, то мы получаем фотоны более высокой энергии (меньшей длины волны). Точно так же, если некоторые атомы излучили фотон, удаляясь от нас, мы получим от них фотон меньшей энергии (большей длины волны). Это именуется эффектом Допплера. Поэтому в целом, если атомы двигаются в разные стороны, мы будем получать от них фотоны разных энергий (спектральная линия приобретет ненулевую ширину). Ширина спектральной линии позволяет оценить разброс скоростей атомов, которые их излучили.
Самое простое предположение о причинах такого разброса - это разброс температурный. С ростом температуры атомы начинают двигаться быстрее, следовательно, ширина спектральной линии их излучения растет. Кстати, для звезд таким образом можно оценивать температуру излучающей поверхности. Однако для данного случая такое объяснение не проходит по многим причинам. При высокой температуре водород ионизируется, так что никакого нейтрального водорода мы просто не увидели бы. Опять же, отчего вдруг в разных галактиках облака нейтрального водорода должны иметь совсем уж разную температуру - непонятно.
Есть и другое объяснение. Если излучающий объект вращается, та его часть, которая удаляется от нас, излучает по понятным причинам, связанным с упомянутым выше эффектом Допплера, фотоны меньшей энергии, а та, которая приближается к нам - большей. Оказалось, что в данном случае именно это объяснение является правильным. Тем более, что наблюдения в других длинах волн (для других спектральных линий) подтвердили ту же закономерность (качественно - а вот количественно для разных длин волн она может несколько различаться, но это не столь принципиально).
Таким образом, выяснилось, что для спиральных галактик имеет место удивительная зависимость - чем ярче галактика, тем быстрее она вращается. Или наоборот - чем быстрее вращается галактика, тем она ярче.
Ну, отчего одна спиральная галактика имеет большую светимость, чем другая, понять, в общем-то, нетрудно. Чем больше в галактике звезд, тем больше у нее светимость. Дело нехитрое.
А вот результат этой нехитрой логической операции удивляет - чем больше звезд в спиральной галактике, то есть, чем больше ее видимая (барионная) масса, тем (в среднем) быстрее она вращается. Интересно...
Рассуждая далее, заметим, что скорость вращения видимой массы галактики зависит от ее невидимой массы (массы темной материи) - именно масса темной материи на самом деле определяет основную массу галактики, а распределение этой "скрытой" массы по радиусу - динамику ее движения. Таким образом, зависимость Талли-Фишера устанавливает связь между видимой масой галактики и общей ее массой (то есть, массой темной материи в ней) и показывает нам, что содержание темной материи в галактике не является случайным - по какой-то пока неясной закономерности, связанной с неизвестными подробностями эволюции галактик, эти величины являются взаимосвязанными.
В любов случае, в конечном итоге оказывается, что спиральные, а точнее, дисковидные галактики вращаются с угловой скоростью, пропорциональной примерно 0,27-0,3 степени их массы.
Завивимость Талли-Фишера кроме теоретического интереса полезна и практически - для дальних галактик она позволяет, измерив ширину линий в их спектре, оценить их светимость а следовательно, и массу . А следовательно, измерив видимую яркость и скорость вращения галактики, мы можем определить расстояние до нее. В астрономии объекты, абсолютная яркость которых заведомо известна, так что измерение видимой яркости позволяет измерить расстояие до них, называются стандарными свечами.
Интересно то, что зависимость Талли-Фишера распространяется только на спиральные, вернее, дисковидные галактики. А вот для эллиптических галактик действует зависимость. Они тоже вращаются тем быстрее, чем выше их масса, но в среднем, кугловая скорость их вращения пропорциональна 0,25 их массы (это называется отношением Фабер-Джексона по имени открывших этот закон Сандры Фабер и Роберта Джексона).
Стоит также заметить, что своим законам подчинено вращение балджей дисковидных галактик. В среднем, они вращаются со скоростью, пропорциональной 0,2 степени массы центральной черной дыры (так называемый закон M-σ ).
Причины действия этих законов до конца не известны, но в любом случае, они таят в себе существенно важную информацию о деталях формирования и эволюции галактик.
@темы:
наука/открытия,
гипотезы и факты