Галактычная перамычка

Галактычная перамычка, таксама вядома як бар (ад англ.: bar), — выцягнутае ўтварэнне з зорак і газа ў галактычным дыску. Перамычка можа прысутнічаць у дыскавых галактык — лінзападобных, спіральных і няправільных. Ад паловы да дзвюх трацін дыскавых галактык, у тым ліку і Млечны Шлях, маюць перамычку. Наяўнасць і выяўленасць перамычкі — адзін з крытэрыяў класіфікацыі галактык.

NGC 1300 — спіральная галактыка з выяўленай перамычкай.

Перамычка ўтвараецца пры ўзнікненні гравітацыйнай няўстойлівасці ў тонкім дыску галактыкі. Для гэтага патрэбна альбо дастаткова высокая хуткасць вярчэння дыска, альбо невялікая хуткасць вярчэння і вялікія радыяльныя хуткасці зорак. Перамычкі аказваюць прыкметны ўплыў на бацькоўскія галактыкі і з’яўляюцца адным з асноўных чыннікаў унутранай векавой эвалюцыі — змен у галактыцы на працягу доўгага часу, якія не залежаць ад яе асяроддзя.

Апісанне і ўласцівасці

Марфалагічная класіфікацыя галактык Хабла.

Перамычка, таксама званая барам, — структура выцягнутай формы ў плоскасці галактычнага дыска, якая з’яўляецца ўшчыльненнем з зорак і міжзорнага газу. Часцей за ўсё цэнтр перамычкі знаходзіцца тамака жа, дзе і цэнтр дыска, але ў маламасіўных галактыках іхняе становішча можа не супадаць. У спіральных галактыках з перамычкай спіральныя рукавы пачынаюцца не ў цэнтры галактыкі, а на канцах перамычцы. Бар можа назірацца ў дыскавых галактык — лінзападобных, спіральных і няправільных. У некаторых галактык можа быць больш за адну перамычку: вядомыя галактыкі з двума і нават з трыма перамычкамі.

Перамычка — устойлівае ўтварэнне, якое ў асобна ўзятай галактыцы існуе на працягу многіх яе абаротаў. Перамычка верціцца як адзінае цэлае, у той жа бок, што і дыск, але, як правіла, з крыху меншай кутняй хуткасцю. Пры гэтым зоркі, якія складаюць перамычку, не знаходзяцца ў ёй увесь час, у адрозненне, напрыклад, ад балджа. Зоркі ўвесь час уваходзяць у перамычку і пакідаюць яе, але іхняе падвышанае засяроджванне ў вобласці перамычкі застаецца, таму вонкавы выгляд перамычкі не змяняецца — падобным чынам узнікаюць і спіральныя рукавы ў тэорыі хваль шчыльнасці.

З усіх галактык каля траціны мае перамычку, уключаючы Млечны Шлях, а з дыскавых — па розных ацэнках, ад паловы да дзвюх трацін. Зоркі ў перамычках у асноўным старыя і чырвоныя, таму ва ўльтрафіялетавым дыяпазоне большасць перамычак не назіраецца. У сярэднім свяцільнасць перамычкі складае 10 % свяцільнасці ўсёй галактыкі, але можа дасягаць і 30 %, у галактыках у сучаснаму Сусвету каля 15 % масы зорак змяшчаецца ў перамычках. У цэлым, у галактыках з перамычкамі ў параўнанні з галактыкамі без перамычкі колер і металічнасць слабей мяняюцца з радыусам, а міжзорны газ мацней засяроджаны да цэнтра.

Наяўнасць і выяўленасць перамычкі — адзін з крытэрыяў класіфікацыі галактык. Так, спіральныя галактыкі ў паслядоўнасці Хабла дзеляцца на нармальныя, абазначаныя S, у якіх перамычка адсутнічае, і перасечаныя, абазначаныя SB, дзе яна ёсць. У сістэме дэ Вакулёра апрача нармальных (SA) і перасечаных спіральных галактык (SB) вылучаюцца спіральныя галактыкі пераходнага тыпу, абазначаныя SAB. У гэтай схеме па выяўленасці перамычкі класіфікуюць не толькі спіральныя, але і лінзападобныя і няправільныя галактыкі.

Параметрызацыя

Выгляд перамычкі і яе ізафот добра апісваецца абагульненымі эліпсамі:

$\left({\frac {|x|}{a}}\right)^{c}+\left({\frac {|y|}{b}}\right)^{c}=1$

дзе $a$ і $b$ — вялікая і малая паўвосі, $x$ і $y$ — каардынаты ўздоўж вялікай і малой восі, а $c$ — параметр, які задае падабенства абагульненага эліпса. Гэтая формула пры $c=2$ ператвараецца ва ўраўненне эліпса. Звычайна для апісання формы перамычкі лепш за ўсё падыходзяць $c>2$, але таксама выкарыстоўваецца і $c=2$.

Размеркаванне павярхоўнай яркасці ў перамычцы часта мадэлюецца мадыфікаванай функцыяй Ферэрса. Для размеркавання яркасці $\mu (r)$ уздоўж вялікай восі перамычкі яна мае наступны выгляд:

$\mu (r)=\mu _{0}\left[1-\left({\frac {r}{r_{bar}}}\right)^{2-\beta }\right]^{\alpha }$

У гэтай формуле $\mu _{0}$ — павярхоўная яркасць у цэнтры перамычкі, $r_{bar}$ — адлегласць да мяжы перамычкі, далей за якую павярхоўная яркасць лічыцца роўнай нулю. Параметры $\alpha$ і $\beta$ адказваюць за хуткасць змяншэння яркасці, адпаведна, у мяжы і ў цэнтра перамычкі.

Закон Серсіка, часта выкарыстоўваецца для апісання балджаў і дыскаў, можа выкарыстоўвацца і для перамычак — для іх $n$ звычайна знаходзіцца ў дыяпазоне ад 0,5 да 1.

Узнікненне перамычак

Перамычка ўтвараецца пры ўзнікненні гравітацыйнай няўстойлівасці ў тонкім дыску галактыкі. Існуе прынамсі два механізмы ўтварэння перамычкі: перамычкаўтваральная няўстойлівасць і няўстойлівасць выцягнутых арбіт.

Перамычкаўтваральная няўстойлівасць утварае перамычку, калі хуткасць вярчэння дыска досыць вялікая, у гэтым выпадку ўтварэнне перамычкі становіцца энергетычна выгодным. Колькасна крытэр няўстойлівасці выяўляецца праз энергію вярчэння дыска $E_{r}$ і яго патэнцыйную энергію $W$: калі адносіны ${\textstyle {\frac {E_{r}}{W}}}$ складаюць больш за 0,14–0,20 (дакладнае значэнне залежыць ад параметраў мадэлі), то за 1–2 абароты галактыкі ўзнікае перамычка. Аналагічная сітуацыя ўзнікае ў механіцы несціскальных самагравітуючых цел: пры дастаткова вялікіх энергіях вярчэння яны ператвараюцца з пляскатага эліпсоіда Макларэна ў выцягнуты эліпсоід Якобі. Перашкодзіць утварэнню бара можа дастаткова вялікая дысперсія хуткасцяў у галактыцы і наяўнасць масіўнай сферычнай падсістэмы галактыкі: балджу або цёмнага гало. Па ўсёй бачнасці, буйныя перамычкі ўтвараюцца менавіта такім чынам.

Няўстойлівасць выцягнутых арбіт, наадварот, узнікае пры павольным вярчэнні дыска і вялікіх радыяльных хуткасцях зорак. Калі зоркі рухаюцца па блізкіх выцягнутых арбітах, то з-за гравітацыйнага ўзаемадзеяння паміж імі арбіты прэцэсіруюць і збліжаюцца яшчэ больш, і таксама ўтвараецца перамычка. Такі механізм утварэння перамычкі неэфектыўны для слаба выцягнутых арбіт, таму ён павінен выяўляцца ў асноўным у цэнтральных абласцях дыска, у якіх радыяльная дысперсія хуткасцяў зорак вялікая. Акрамя таго, перамычкі, якія ўтвараюцца такім спосабам, павінны мець малую хуткасць вярчэння.

Уплыў на галактыкі

Перамычкі аказваюць прыкметны ўплыў на бацькоўскія галактыкі і з’яўляюцца адным з асноўных чыннікаў унутранай векавой эвалюцыі — змен у галактыцы на працягу доўгага часу, якія не залежаць ад яе асяроддзя. Паколькі перамычкі несіметрычныя адносна восі галактыкі, яны пераразмяркоўваюць вуглавыя моманты зорак і газу, што прыводзіць да змены галактычнай будовы.

Перамычкі перамяшчаюць газ такім чынам, што ён фармуе спіральныя рукавы і кольцы, ціск у ім павялічваецца і з атамарнага ён становіцца малекулярным, у ім пачынаецца зоркаўтварэнне. З абласцей па-за перамычкай газ перамяшчаецца да ўскраіны галактыкі, а з вобласці ў межах радыусу перамычкі — у самы цэнтр. Гэта прыводзіць да згладжвання градыентаў металічнасці і да павелічэння цэнтральнага засяроджвання газу, што і назіраецца ў галактыках з перамычкамі (гл. вышэй). Засяроджванне газу ў цэнтры, у сваю чаргу, можа прыводзіць да актыўнасці галактычнага ядра, аднак у галактыках з актыўнымі ядрамі перамычкі не назіраюцца часцей, чым у галактыках без актыўнага ядра.

Перамычкі таксама ўплываюць на рух зорак. З дапамогай перамычкі кутні момант пераразмяркоўваецца паміж зорным дыскам і цёмным гало, з-за чаго зоркі таксама мацней засяроджваюцца да цэнтра. Акрамя таго, пад дзеяннем перамычкі арбіты зорак могуць мяняцца і пакідаць плоскасць дыска галактыкі, з-за чаго з часам павялічваецца сферычны складнік галактыкі — у прыватнасці, балдж. З улікам актыўнага зоркаўтварэння балдж фарміруецца даволі эфектыўна — за некалькі мільярдаў гадоў можа ўтварыцца балдж масай у мільярд мас Сонца. Балджы, сфармаваныя такім чынам, часткова захоўваюць дынамічныя ўласцівасці дыска і называюцца псеўдабалджамі. У блізкім Сусвеце такімі з’яўляюцца балджы шматлікіх галактык, магчыма нават большасці, у тым ліку і Млечнага Шляху.

Літаратура

• Сурдин В. Г. Галактики. — 2-е, исправленное и дополненное. — М.: Физматлит, 2017. — 432 с. — ISBN 978-5-9221-1726-5.
• Засов А. В., Постнов К. А. Общая астрофизика. — 2-е изд. испр. и дополн. — Фрязино: Век 2, 2011. — 576 с. — ISBN 978-5-85099-188-3.