CC BY
53
© A.B. Хоперсков, М.Л. Еремин, С.С. Храпов, А.Г. Морозов, 2007-2008
АСТРОФИЗИКА
УДК 524.7
СПИРАЛЬНЫЕ ВОЛНЫ ГАЗА И ГРАВИТИРУЮЩЕЙ ПЛАЗМЫ В НЕОСЕСИММЕТРИЧНОМ ГРАВИТАЦИОННОМ ПОТЕНЦИАЛЕ *
*
у.
A.B. Хоперсков, М.А. Еремин, С.С. Храпов, А.Г. Морозов
Изучена возможность формирования спиральных волн плотности в звездном и
газовом дисках галактик при наличии неосесимметричного гравитационного поля гало.
Введение
Исследования феномена спирального узора в галактиках имеют длинную историю [1; 2]. В настоящее время понятно, что в подавляющем числе случаев речь идет о волне, распространяющейся в многокомпонентной звездно-газовой среде. Универсального механизма генерации спиральных волн, который был бы способен объяснить все многообразие S-галактик, не обнаружено. Нередко для описания наблюдаемой картины необходимо привлекать сразу несколько факторов. Отметим, что влияние галактического окружения на спиральную структуру, по-видимому, часто преувеличивается [3], что вызывает дополнительный интерес к изучению внутренних механизмов даже для галактик в скоплениях.
В качестве генератора спиральной структуры может выступать асимметричное галактическое гало. В результате звездно-газовый диск оказывается в неосесимметричном внешнем гравитационном поле. Появляется все больше наблюдательных данных, указывающих на то, что триаксиальность сфероидальных подсистем внутри оптического радиуса галактик является типичным явлением [4], что согласуется с космологическими сценариями [5; 6].
Целью работы является демонстрация возможности формирования долгоживущего спирального узора в дисковых галактиках при наличии несимметричного распределения гравитирующего вещества в темном гало и изучение свойств спиральных волн в рамках численных газодинамических и jV-body экпериментов.
Численные модели
Численная модель звездного диска основана на классических технологиях /'/-body и TreeCode [7; 8]. Число гравитационно взаимодействующих частиц в трехмерном диске составило N = 3 ‘ 106. Бесстолкновительный звездный диск находится во внешнем гравитационном потенциале гало. Начальное состояние системы выбиралось достаточно горячим, чтобы заведомо обеспечить гравитационную устойчивость диска. Таким образом, в случае осесимметричного гало параметры
" Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 07-02-01204.
диска не изменяются со временем и волновые структуры не образуются. В качестве потенциала гало выбрали обобщение модели квазиизотермического гало:
Рис. 1. Модель сильно неосесимметричного гало: слева - распределение объемной плотности гало в плоскости симметрии диска, справа - модуль гравитационной силы
где £ = д1(х/а)^ + (y/b)2 +(z/6)2 , величина А = АтЮроа2 определяется центральной плотностью гало />, (рис. 1).
В случае а = b имеем центрально-симметричное распределение. Расчеты проведены для серии моделей с а/6 = 1-И,15,в которых оказывается возможным формирование долгоживущих спиральных структур (рис. 2). На рисунке 3 показаны временные зависимости Фурье-гармоник для различных азимутальных мод m = 1, 2, 3, 4, 5, 6 (сс exp{im(p}). После t > 4 устанавливается квазистационарная спиральная структура, у которой доминирует двухрукавная мода. Выделяется также мода m - 4. Амплитуда остальных мод сохраняется на уровне начальных флуктуаций. Существенно, что несмотря на неподвижность триаксиального гало (или его слабое вращение), спиральная структура в звездном диске может вращаться достаточно быстро (см. рис. 2). Причем угловая скорость вращения спирального узора Qp может испытывать ква-
зипериодические изменения.
Численная модель газового диска основана на интегрировании уравнений гидродинамики в цилиндрической системе координат методом TVD, основанным на подходе MUSCL. В рамках модели тонкого диска происходит генерация спиральных волн в неосесимметричном потенциале (1). В течение одного-двух периодов возникают сильные ударные волны. Проведены аналогичные расчеты гидродинамических течений в сфероидальной системе координат, когда над диском имеется горячая газовая корона низкой объемной плотности. Отдельно рассмотрены модели с медленно вращающимся гало, из которых следует, что геометрия спиралей заметно зависит от угловой скорости вращения сфероидальной подсистемы. Возможно формирование лидирующих спиралей в центре газового диска. На рисунке 4 приведены распределения параметров в трехмерном газовом диске на начальной стадии генерации лидирующих спиралей.
Рис. 2. Изолинии логарифма поверхностной плотности бесстолкновительного звездного самогравитирующего диска в гравитационном поле неосесимметричного массивного темного гало в разные моменты времени. Спиральная структура быстро формируется в первоначально осесимметричной компоненте. При тех же самых условиях в случае центральносимметричного гало диск остается осесимметричным на протяжении десятков периодов обращения внешнего края дисковой компоненты (порядка 10 млрд лет)
1.00 г,
♦ ■ А + © Ж
1; 2: 3; 4: 5; б
0.10
0.01
%
+++^'Ч*+Н /♦"
* * А
-«•V 5 * ♦
т
I
О 4 8 12 16
Рис. 3. Зависимости амплитуд Фурье-гармоник от времени для различных азимутальных чисел т
1 02 А В. Хоперское. М.А. Еремин. С.С. Храпов. А.Г. Морозов. Спиральные волны газа
lOWlx.y}. Z * ОСЮО*»ОСО. t-2.-WO«(XO ОДМ* ♦«ООООМЮО. 1=2 <»00-000
Рис. 4. Трехмерный газовый диск в триаксиальном гало. Показаны (слева направо): плотность в плоскости z = 0; вертикальная структура плотности; вертикальная компонента скорости в плоскости z- 0 в центре диска; ралиальная компонента скорости в плоскости 2 = 0
Заключение
Построена модель пространственного распределения объемной плотности темного гало в отсутствии центральной симметрии, которая характеризуется тремя различными значениями пространственных шкал. С использованием различных гидродинамических и N-body моделей продемонстрирована возможность формирования в дифференциально вращающихся дисках спиральных волновых структур из-за наличия неосесимметричного гало. Обнаружен квазипериодический режим эволюции параметров спиральной структуры.
Summary
THE SPIRAL WAVES OF GAS AND GRAVITATING PLASMA IN A NONSYMMETRIC GRAVITATIONAL POTENTIAL
A. V. Khoperskov, M.A. Eremin, S.S. Khrapov, A.G. Morozov
The possibility of generation of spiral waves in stellar and gas disks of galaxies at presence of the asymmetric gravitational field of halo is investigated.
Список литературы
1. Ефремов Ю.Н., Корчагин В.И., Марочник Л.С., Сучков А.А. Современные представления о природе спиральной структуры галактик // УФН. 1987. № 4. С. 599-629.
2. Sellwood J.A. Stability and Evolution of Galactic Discs // ASPC. 1999. № 160. P. 327-340.
3. Bergh S. van der. Spiral Structure and Galaxy Environment // AJ. 2002. № 124. P. 786-787.
4. Kormendy S., Kennicutt R. Secular Evolution and the Formation of Pseudobulges in Disk Galaxies // Ann. Rev. A&A. 2004. № 42. P. 603-683.
5. Zentner A. et al. The Anisotropic Distribution of Galactic Satellites // ApJ. 2005. № 629. P. 219-232.
6. Oguri М., Takada М., Umetsu K., Broadhurst T. Can the Steep Mass Profile of A1689 Be Explained by a Triaxial Dark Halo? // ApJ. 2005. № 632. P. 841-846.
7. Greengard L. The numerical solution of the jV-body problem // Computers in physics. 1990.
№ 3-4. P. 142-152. *
8. Морозов А.Г., Хоперсков A.B. Физика дисков. Волгоград, 2005.
104 A.B. Хоперсков, M.A. Еремин, C.C. Храпов, A.Г. Морозов. Спиральные волны газа
