Берман В.Г. Крупномасштабная динамика межзвездного газа в спиральных галактиках

Короткий опис

Берман В.Г.. Крупномасштабная динамика межзвездного газа в спиральных галактиках : ил РГБ ОД 61:85-1/923

ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 2
Глава І. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. ОСНОВНЫЕ ИДЕИ И
КОНЦЕПЦИИ 16
§ I. Постановка задачи и основные уравнения. . 16
§ 2. Метод решения 25
Глава П. ИЗОТЕИШЧЕСКОЕ И АДИАЕАТИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЯ.
ЭФФЕКТЫ САМОГРАВИТАІЩ ГАЗА 35
§ 3. Нейтральный водород. Изотермическое те¬
чение с учетом оамогравитации 35
§ 4. Молекулярный водород в Галактике .... 40
Глава Ш. ЭФФЕКТЫ ОХЛАЖДЕНИЯ И НАГРЕВА ПРИ ВЗАИМОДЕЙ¬
СТВИИ МЕЕЗВЕЗДНОГО ГАЗА СО СПИРАЛЬНОЙ ВОЛ¬
НОЙ ПЛОТНОСТИ 51
§ 5. Тепловые свойства межзвездной среды ... 51
§ 6. Результаты расчетов 56
§ 7. Обсуждение результатов 70
§ 8. Эффекты соботвенной гравитации: течение
с учетом тепловых процессов 83
Глава 4. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ И ОЦЕНКА
ПАРАМЕТРОВ СПИРАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ В НАШЕЙ ГА¬
ЛАКТИКЕ И В М 81 91

- 146 -
Стр.
§ 9. Расчет радиоизлучения нейтрального
водорода в линии 21 см в нашей Галак¬
тике с учетом возмущений в движении
газа от СВЇЇ 92
§10. Спиральная структура и движение газа
в галактике М 81 103
§11. Интерпретация распределения по галак-
тоцентрическому радиусу индикаторов
спиральной структуры в нашей Галакти¬
ке и в М 81 III
§12. Определение параметров спиральной
структуры Галактики по кинематике
звезд 119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128

ЛИТЕРАТУРА

132

РОСТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.М.А.СУСЛОВА
На правах рукописи
В.Г. БЕРМАН
УДК 524.3
КРУПНОМАСШТАБНАЯ ДИНАМИКА МЕЖЗВЕЗДНОГО ГАЗА В СПИРАЛЬНЫХ ГАЛАКТИКАХ
01.03.02 - астрофизика
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата
физико-математических наук
Научный руководитель:
доктор физико-математических
наук,профессор А.А.СУЧКОВ

^(рЛ<

Ростов-на-Дону, 1984 г.

ВВЕДЕНИЕ
Настоящая диссертация посвящена исследованию крупномасштаб¬ного течения межзвездного газа в спиральных галактиках. Важность этой проблемы для физики спиральных галактик заключается в сле¬дующем. С одной стороны, для интерпретации многочисленных наблю¬дательных данных, например, радиоастрономических, необходимо зна¬ние крупномасштабной кинематики и структуры газа. С другой, дан¬ная задача имеет большое значение для понимания различных аспек¬тов самой спиральной структуры галактик. В спиральных рукавах концентрируются наиболее молодые и активные объекты. Здесь имеют место такие фундаментальные процессы, как рождение ярких звезд, вспышки сверхновых и т.д. Взаимодействие газа со спиральными ру¬кавами должно, несомненно, влиять и на физику межзвездной среды. Всем этим и обусловливается большой интерес, который представля¬ет для астрофизических приложений данная проблема.
Исследования, выполненные в предлагаемой работе,проводились в рамках волновой теории спиральной структуры [ I], в основе ко¬торой лежит идея о том, что спиральные рукава в галактиках явля¬ются твердотельно вращающимися волнами плотности. Отметим, что существуют и другие, альтернативные теории, например, такие, как магнитная [2-4]> взрыва [б], аккреционная [6,7], солитонная [8-Ю] и некоторые другие. В силу того, что в диссертации не ста-вится цель изучения вопросов, связанных с происхождением и под¬держанием спирального узора, мы не будем давать сравнительный анализ существующих теорий спиральной структуры. Ограничимся лишь замечанием, что,на наш взгляд, крупномасштабная картина спираль-

- з -
ных рукавов в настоящее время наиболее адекватно описывается в теории волн плотности.
Итак, согласно гипотезе, выдвинутой Линдбладом [іі] и раз¬витой Лином и др. [і], спиральная структура галактик связана со спиральной волной плотности (СВП), распространяющейся по звездно¬му диску. Эта волна плотности своим гравитационным полем возмуща¬ет движение газа, отклоняя его от кругового. Впервые задача о движении межзвездного газа в гравитационном поле СВП рассматрива¬лась в 1966 г. Фуджимото [l2]. Однако значительный прогресс в этой области наметился после опубликования в 1969 г. статьи Ро-бертса [l3J. Им было показано, что при течении межзвездного га¬за в спиральных рукавах в газе могут формироваться мощные удар¬ные волны. Масштаб этих ударных волн сравним с радиусом галакти¬ческого диска. Поэтому они впоследствии были названы галакти¬ческими ударными волнами (ГУВ). Для амплитуды гравитационной си¬лы СВП и скорости вращения спирального узора, характерных для на¬шей Галактики, интенсивность ГУВ по плотности может достигать значения гч-/ 10 [I3-I5J.
Развитие представлений о ГУВ сыграло важную роль в понима¬нии процессов, происходящих в галактиках. В [l3j была высказана идея о том, что ГУВ служит "триггерным" механизмом звездообразо¬вания. Под этим понимается следующее: достаточно массивное обла¬ко, попадая во фронт ГУВ, испытывает резкое поджатие, вследствие чего оно может начать коллапсировать, приводя к рождению звезд. Следовательно, ГУВ должна влиять на глобальные свойства галакти¬ческого диска.
Хорошо известно, и на это обращалось внимание в целом ряде работ, что спиральные рукава в других галактиках наиболее отчет¬ливо прослеживаются по областям ионизованного водорода.Возраст

- 4 -
наиболее ярких из них ^10 лет |_16_], т»е. примерно на два по¬рядка меньше галактического года. По галактическим меркам это очень молодые образования. Следовательно, возникает вопрос: какой механизм управляет рождением звезд в масштабах галактического диска, "поджигая" звездообразование практически одновременно на всем радиусе галактики, причем именно вдоль спиральных рукавов?
В последнее время (начиная с 1978 г.) в работах [17-20J по¬лучила развитие теория так называемого стохастического саморас¬пространяющегося звездообразования, в которой в качестве такого механизма предлагается цепная реакция звездообразования. Под этим термином понимается следующее: ударные волны от вновь рож¬даемых массивных звезд вызывают рождение других массивных звезд и т.д. Однако, в численных расчетах, проведенных авторами этой теории, не удается получить правильной, двухрукавной крупномас¬штабной структуры (и этот факт признается ими в [і?]), а наблю¬даются многорукавные, клочковатые конфигурации. Кроме того, как указывается в работе |211, в теории стохастического звездообра¬зования, базирующейся в основном на численном моделировании, ос¬таются невыясненными многие вопросы, связанные с образованием спиральной структуры и зависимостью последней от физических пара¬метров. В Г2іП показано, что в такой модели спирали будут распро-страняться как в направлении вращения галактического диска, так и против него, что приводит к их взаимодействию и разрушению. На наш взгляд, в спиральных галактиках действие механизма стохас¬тического звездообразования может служить объяснением лишь не¬правильных, локальных структур, сопутствующих глобальному спи¬ральному узору, но не самой крупномасштабной картины спиральных рукавов (см. также [22J).
В то же время, как уже говорилось выше, при исследовании

- 5 -течения газа в рамках волновой теории спиральной структуры га¬лактик, было обнаружено явление ГУВ. ГУВ, имеющая геометрию ру¬кава, размеры, сравнимые с диском галактики, и во фронте которой реализуются условия, благоприятные для звездообразования, и мо¬жет быть ответственна за существование крупномасштабной картины спиральных рукавов, наблюдаемой по ярким молодым звездам и обла¬стям НІ. Наличие узкой области сильного сжатия газа в ГУБ поз¬воляет понять положение и структуру пылевых полос в спиральных ветвях [23,24]. Она же ответственна за усиление синхротронного излучения [25,26]. Даже такой небольшой перечень явлений, свя¬занных в ГУВ, объясняет неопадающий интерес к физике этого явле¬ния.
Свойства течения газа в сильной степени зависят от парамет¬ров СВП (ее геометрии, скорости вращения узора, амплитуды грави¬тационной силы) и характеристик межзвездной среды. В наиболее известных расчетах ГУВ (см., например, [I3-I5J) делаются два существенных предположения: I) движение газа является изотерми¬ческим; 2) гравитация газа мала, поэтому его движение полностью определяется внешним гравитационным полем - полем звездной вол-ны плотности. Оба предположения представлялись вполне разумными и справедливыми на первых этапах развития теории ГУВ. Однако сейчас и первое, и второе требуют более тщательного рассмотрения.
Роберте [із], Шу и др. [l4j рассматривали как сплошную сре¬ду по существу систему диффузных облаков нейтрального водорода, предполагая, что "температура" среды от плотности не зависит. "Температура" определяет скорость звука, которая отождествляется с дисперсией скоростей облаков и считается известной константой порядка 5-Ю км/с. Но структура межзвездной среды, ее динамиче¬ские и тепловые свойства значительно сложнее.Здесь большую роль

- 6 -
играют процессы нагрева и охлаждения. Газ разбит, по крайней ме¬ре, на две фазы - холодную плотную облачную фазу и горячую раз¬реженную межоблачную. Стационарное нелинейное движение двухфаз¬ной среды в поле спиральной волны рассчитывалось в [27]. В этой работе принято, что облака уже существуют (задается масса обла¬ков, фактор объемного заполнения), и рассмотрено, как изменяют¬ся параметры течения отдельно облачной и межоблачной среды. При этом по-прежнему предполагается, что движение системы облаков описывается уравнениями газодинамики с изотермическим уравнением состояния. Очень важным для приложения к проблеме звездообразова¬ния явилось исследование в этой работе гравитационного коллапса облака, испытавшего сжатие в ГУБ (впрочем, как показали двумер¬ные расчеты |_28J, картина здесь гораздо сложнее). Необходимо,од¬нако, отметить, что в силу стационарности задачи вопрос об обра¬зовании облаков, естественно, не мог быть здесь рассмотрен, хотя уже существовали ясные физические соображения о том, что при движении газа через ударную волну может происходить фазовый пе¬реход, и течение, в принципе, может быть существенно нестацио¬нарным. Еще на УІ симпозиуме по космической газодинамике Пикель-нер и Гринберг высказали идею, что сами облака могут рождаться на фронте ГУБ вследствие тепловой неустойчивости (см. доклад Филда и дискуссию после него [29J). Поэтому для того, чтобы проследить временную эволюцию межзвездного газа при его течении в поле СВП с учетом тепловых процессов, необходимо решать неста¬ционарную задачу.
Однако первый же прямой расчет течения газа с учетом тепло¬вого баланса, выполненный в 1974 г. Бейкером и Баркером [30],дал неожиданный результат: оказалось, что, во-первых, в этом случае ударная волна не формируется, и возникает совершенно новый тип

- 7 -
течения ("аккреционный фронт"); во-вторых, фазовый переход, со-провождающийся образованием холодных и плотных облаков, не про¬исходит. В этом расчете рассматривалось одномерное прямолинейное течение газа через потенциальную яму. Следующая работа на эту тему была выполнена в 1980 г. Таббсом [ЗҐ], который решал анало¬гичную задачу, но для спирального потенциала. Его результат ока¬зался диаметрально противоположным: ударная волна возникает, и возникает вторичное облако холодной фазы, появляющееся при фазо¬вом переходе в галактической ударной волне. В итоге вопрос ока¬зался открытым: как же все-таки влияет тепловой баланс на тече¬ние и структуру газа?
Чтобы ответить на этот вопрос, в настоящей работе решалась задача о течении газа в поле СВП для серии различных начальных условий. Оказалось, что в зависимости от начальных условий и расстояния от центра Галактики возможны разнообразные, качествен¬но отличающиеся друг от друга варианты развития течения и струк¬туры газа, среди них течение с фазовым переходом, сопровождаю¬щимся образованием холодных плотных конденсаций, а также совер-шенно новый тип волнового движения газа - аккреционная волна. Амплитуда этой волны по плотности составляет два и более порядка. Значение такого типа течения для физики межзвездной среды заклю¬чается в том, что это есть механизм мощного увеличения плотности газа в рукавах с одновременным сильным понижением температуры, что как раз и необходимо для начала процесса звездообразования.
Обратимся теперь к вопросу об учете самогравитации газа. Если принять в качестве поверхностной плотности газа плотность нейтрального водорода, значение которой более, чем на порядок меньше плотности "эффективной" звездной подсистемы,определяющей динамику СВП [J32-35] ,и считать при этом течение газа изотерми-

- 8 -
ческим, то, как будет показано в настоящей работе, влияние соб¬ственной гравитации мало по сравнению с влиянием поля СВП. Эти результаты убедительно подтверждают справедливость проводимых ранее расчетов изотермических ГУБ без самогравитации газа (такой же вывод сделан в |_31,36J).
Картина может стать иной, если плотность газа взять равной плотности молекулярного водорода, количество которого согласно выводам работ [32,37,38j в Галактике может быть значительным, и по-прежнему считать течение газа изотермическим. Действительно, в этом случае собственная гравитация будет велика (см. § 4). Од¬нако, здесь необходимо учесть следующие обстоятельства. Во-пер¬вых, согласно исследованию Блитца и Шу [39] на самом деле плот¬ность молекулярного водорода не превышает плотности атомарного водорода, и этот результат согласуется с результатами других ав¬торов и по нашей Галактике (см., например, [40,41]), и по внеш¬ним галактикам [42,43]. Во-вторых, система молекулярных облаков является бесстолкновитєльной, поэтому ее динамика описывается не изотермическими уравнениями движения, а адиабатическими с пока¬зателем адиабаты Т= 2 [44]. В этом случае возмущения плотности газа при его течении в СВП оказываются на порядок меньшими, чем в изотермическом. Следовательно, и здесь роль собственной грави¬тации газа мала. Более того, бесстолкновительную систему молеку¬лярных облаков следует включать в те же самые;/уравнения, что и звездную компоненту.
Как уже говорилось выше, с учетом тепловых процессов тече¬ние газа в СВП сопровождается появлением очень плотных и холод¬ных образований газа. В настоящей работе показано, что в случае аккреционной волны влияние собственного гравитационного поля на эволюцию газа может быть велико. Под действием самогравитации

- 9 -
конденсации, возникающие при течении межзвездного газа в СВП, схлопываготся. Этот коллапс, очевидно, должен приводить к рожде¬нию новых звезд. Не исключено, что в отдельных случаях будет су¬щественным обратное влияние мощных уплотнений газа на звездную спиральную волну.
В большинстве работ, связанных с расчетами ГУВ, не учитыва¬лось галактическое магнитное поле (исключение составляют, пожа¬луй, работы [45,4б], где показано, что его учет несколько умень¬шает интенсивность ГУВ). В настоящей работе магнитное поле так¬же не включалось в рассмотрение. Сделано это было не потому, что связанные с ним эффекты считались несущественными, а только с тем, чтобы упростить решение поставленных задач, которое и без того оказывается достаточно сложным. В дальнейшем одним из воз¬можных направлений развития исследований, проведенных в диссер¬тации, является учет магнитного поля.
Ранее было уже отмечено, что задача о крупномасштабном те¬чении газа в спиральных галактиках имеет большое значение также с точки зрения интерпретации наблюдательных данных и определения параметров самой СВП. Важным здесь представляется исследование структуры и движения нейтрального водорода и молодых звезд (т.е. объектов с малой дисперсией скоростей), что позволяет понять распределение гравитационных полей и, следовательно, масс в Га¬лактике .
В ряде работ (см., например, [^47-54]) дана интерпретация наблюдений радиоизлучения НІ в линии 21 см в нашей и других га¬лактиках (в частности, М 81) с помощью теории волн плотности. Авторами [47-49] сделан вывод о хорошем согласии теории Лина и др. [і] с радионаблюдениями НІ. Однако, на наш взгляд,этот вы¬вод недостаточно обоснован, так как в этих работах использован-

-ІО-
нне. для расчетов модели не являлись самосогласованными с точки зрения волновой теории спиральной структуры галактик.
В диссертации в отличие от работ [47-54] расчеты течения межзвездного газа в СВП и для нашей Галактики, и для М 81 выпол¬нялись согласно теории спиральной структуры, предложенной Мароч¬ником и др. [34]. В целом, из результатов расчетов следует вывод, что модель спиральной структуры галактик Марочника и др. £34] согласуется с данными по НІ.
Из наблюдений хорошо известна следующая проблема. Количест¬во ионизованного водорода и других индикаторов спиральной стру¬ктуры' в Галактике падает с расстоянием от центра, так что при R^8 кпк их практически нет. В то же время HI тянется почти с постоянной плотностью гораздо дальше, приблизительно до 14-15 кпк (см., например, [33,55] , аналогичная ситуация имеет место и в М 81 |_56,57j). Возникает вопрос, чем вызвана такая особенность в распределении этих объектов? Как следует из проведенных нами расчетов, в модели спиральной структуры [34] изменение с рассто¬янием степени сжатия газа в ГУВ коррелируется с распределением по радиусу зон НЕ и других индикаторов спиральной структуры. Поэтому в настоящей работе выдвигается гипотеза о пропорциональ¬ности количества молодых объектов (при прочих равных условиях) интенсивности ГУВ. Эта гипотеза основывается на идее о том, что сжатие газа в ГУВ инициирует звездообразование (см. также [l3 , 58]).
Для определения параметров спиральной структуры Галактики необходимо привлекать всю совокупность наблюдательных данных,по¬лученных по различных объектам. Возможно, что наиболее прямым путем нахождения параметров является анализ кинематики молодых звезд [26J. Эта задача решалась рядом авторов (см.,например,

- II -
[35,59-63] ). В работах [35,61^ для расчета поля скоростей звезд с учетом возмущения от спиральных рукавов использовалось линей¬ное приближение. Представляется интересным выяснить на том же самом наблюдательном материале, к каким изменениям параметров спиральной структуры приведет учет нелинейного характера возму¬щенного движения звезд. Поскольку решение уравнений нелинейной кинетики затруднительно, естественно воспользоваться газодинами¬ческой моделью движения. В самом деле, звезды, вошедшие в выбор¬ки, молодые, поэтому есть основание полагать, что они в зна¬чительное мере "наследуют" кинематику газа, из которого родились (такое же предположение использовано в [64], см» также |j50J). Результаты оказались в качественном и количественном согласии с полученными при линейном описании |_GIJ . И они близки к парамет¬рам СВП, предсказанным в работе Марочника и др. [34].
Суммируя вышесказанное, можно заключить, что в настоящей работе в рамках теории спиральной структуры, развитой в [і,34], на основе эффективных численных методов газодинамики изучается крупномасштабное движение газа в спиральных галактиках.В резуль¬тате исследования радиоизлучения нейтрального водорода в линии 21 см, кинематики молодых звезд, распределения по галоктоцентри-ческому радиусу молодых объектов оценены параметры спиральной структуры нашей Галактики и М 81. Для данных параметров в нашей Галактике рассчитывается течение газа в спиральной волне плотно¬сти с учетом его самогравитации и тепловых свойств и проводится анализ возникающих при этом разнообразных типов эволюции межзве¬здной среды.
В диссертационной работе:
- разработан разностный метод, который позволяет находить численные решения задач газодинамики о движении межзвездного га-

- 12 -
за в спиральных рукавах, отличающихся как начальными условиями, так и типами рассматриваемых течений (изотермическое, адиабати¬ческое, течение с учетом тепловых процессов, течение с включени¬ем собственной гравитации газа);
- в рамках модели спиральной структуры [34 ] показано, что
в случае изотермической ГУВ, распространяющейся по газовому дис¬ку с небольшой величиной поверхностной плотности, влияние собст¬венной гравитации газа мало;
- исследованы динамические свойства ансамбля молекулярных облаков в Галактике и найдено, что даже в случае экстремально больших оценок их количества (см., например, [32,37,38] ) они представляют собой бесстолкновительную, неувлекаемую сплошной средой систему;
- из расчетов следует, что в этой системе, движение кото¬рой в гидродинамическом приближении является адиабатическим с показателем адиабаты Т= 2, формируется слабое возмущение плот¬ности с пренебрежимо малой собственной гравитацией;
- по пяти выборкам, включающим долгопериодические цефеиды и сверхгиганты спектральных классов В,А,р-С,М, (всего около 500 объектов) с помощью нелинейного описания возмущенного под дейст¬вием спиральных рукавов движения молодых звезд находятся параме¬тры СВП в нашей Галактике, которые оказываются близкими к най¬денным ранее в рамках линейного приближения [61];
- для этих параметров строятся теоретические контуры радио¬излучения в нашей Галактике нейтрального водорода в 21 см, кото¬рые согласуются с наблюдательными;
- следуя модели Марочника и др. [34], рассчитывается гео¬метрия рукавов и параметры СВП для галактики М 81;
- обнаружена корреляция между распределением по радиусу га-

- ІЗ -
лактик молодых объектов (зон НЕ, У- излучения и др.) и измене¬нием по радиусу степени сжатия газа в ГУВ, что позволяет выдви¬нуть гипотезу о зависимости количества молодых объектов от ин¬тенсивности ударной волны;
- как показали расчеты, при учете тепловых процессов в меж¬
звездной среде возможны такие движения газа, как ударная волна
с фазовым переходом, трехфазное течение и аккреционная волна, характерной особенностью которых является формирование очень пло¬тных и холодных конденсаций газа;
- найдено, что самогравитация газа существенно влияет на
развитие течения в случае аккреционной волны.
Все перечисленные выше результаты обосновываются и выносят¬ся на защиту.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и спи¬ска литературы.
В главе I излагается постановка задачи о течении межзвезд¬ного газа в гравитационном поле спиральных рукавов и демонстри¬руется численный метод ее решения. В § I этой главы исходные не¬стационарные двумерные газодинамические уравнения, описывающие движение газа в плоскости галактического диска, приводятся в предположении тугой закрутки рукавов к более простому асимптоти¬ческому виду. Здесь же записывается также в приближении малости угла закрутки спиралей уравнение Пуассона, которое используется для нахождения собственного гравитационного потенциала в расче¬тах с учетом самогравитации газа. Далее для моделей спиральной структуры Лина и др. р] и Марочника и др. [34] обсуждается за¬дание параметров, присутствующих в задаче. В § 2 описывается численный метод счета полученных в § I нелинейных нестационар¬ных газодинамических уравнений.

- 14 -
В главе 2 рассчитываются в рамках модели [J34] изотермиче¬ское и адиабатическое течения и анализируется влияние собствен¬ной гравитации межзвездного газа. В § 3 приводятся результаты исследования изотермического течения газа для параметров модели [34]. Здесь же описывается метод решения уравнения Пуассона, применяемый для нахождения собственного гравитационного потенци¬ала газа, если его вариации плотности не слишком велики, и рас¬считывается изотермическая ГУВ, распространяющаяся по нейтраль¬ному водороду, поверхностная плотность которого мала по сравнению со звездной. В § 4 на основе современных наблюдательных данных исследуется система молекулярных облаков и делаются определенные выводы о ее динамических свойствах.
В главе 3 исследуется течение межзвездного газа с учетом его тепловых свойств и самогравитации. В § 5 дается краткая ха¬рактеристика тепловых процессов, происходящих в межзвездной сре¬де и описывается роль ГУВ в звездообразовании в спиральных галак¬тиках. В §§ 6,7 решается ряд задач (самогравитация газа в этих параграфах не рассматривается), отличающихся начальными услови¬ями и галактоцентрическими расстояниями, демонстрируются и обсу¬ждаются полученные результаты, делаются сравнения с результатами других авторов. В § 8 получен метод решения уравнения Пуассона, который может быть использован для нахождения собственного гра¬витационного потенциала газа при произвольном профиле его плот¬ности, и изучается комбинированное действие самогравитации и процессов охлаждения и нагрева на развитие движения и структуры газа при его взаимодействии со спиральными рукавами.
В главе 4 в рамках волновой теории спиральной структуры ин-терпретируются различные наблюдательные данные в нашей Галактике и в М 81 с целью оценок параметров СВП. В § 9 строятся теорети-

- 15 -
ческие профили радиоизлучения нейтрального водорода и делается их сравнение с наблюдательными. В § 10 согласно модели [34] рас¬считывается геометрия рукавов в М 81 и найдены параметры волны плотности. В § II проводится интерпретация поведения по галакто-центрическому радиусу наблюдательных распределений в нашей Га¬лактике и в М 81 количества молодых объектов (зон НЦ , Y-излу¬чения и т.д.). Содержание § 12 составляет решение задачи об опре-делении параметров спиральной структуры Галактики из анализа ки¬нематики молодых звезд. При этом предполагается, что возмущенное полем СВП движение звезд имеет нелинейный характер.
Автор выражает благодарность своему научному консультанту Мищурову Ю.Н. за постоянное внимание и помощь в работе.

Список літератури

Берман В.Г.. Крупномасштабная динамика межзвездного газа в спиральных галактиках : ил РГБ ОД 61:85-1/923

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Главной целью настоящей работы явилось исследование круп-номасштабного движения газа в спиральных галактиках. Основные результаты диссертации получены в процессе изучения таких ас¬пектов этой проблемы, как а) интерпретация с позиций волновой теории различных наблюдательных данных по нашей Галактике и М 81 и оценка для этих галактик параметров спиральной структу¬ры; б) анализ влияния самогравитации и тепловых процессов на кинематику и структуру газа при его течении в поле спиральных рукавов.
В рамках сформулированной проблемы в предлагаемой работе был рассмотрен ряд газодинамических задач. Решение этих задач оказалось возможным благодаря применению разработанной в дис¬сертации полностью консервативной разностной схемы, основан¬ной на использовании быстродействующей ЭВМ. В многочисленных расчетах, проведенных с помощью данного численного метода, он зарекомендовал себя как универсальное и эффективное средство исследования эволюции газа в спиральных галактиках.
Анализ результатов, полученных в диссертации, позволяет сделать следующие выводы:
I. Параметры СВП в нашей Галактике, полученные по пяти выборкам, включающим долгопериодические цефеиды и сверхгиган¬ты спектральных классов В, А, Р - G , М (всего около 500 объектов), с помощью нелинейного описания возмущенного грави¬тационным полем спиральных рукавов движения молодых звезд, оказываются близкими к найденным ранее в рамках линейного опи-

- 129 -
с алия Q>l] и совпадают с принимаемыми в модели спиральной структуры [34~].
2. Теоретические контуры радиоизлучения нейтрального во¬дорода в линии 21 см, построенные для параметров модели спи¬ральной структуры |_34J, согласуются с наблюдательными.
3. Геометрия рукавов и параметры СВП, рассчитанные в рам¬ках модели Марочника и др. [34] для галактики М 81, удовлетво¬ряют наблюдательным данным по кинематике и структуре нейтраль¬ного водорода в этой галактике.
4. Существует корреляция между распределением по галакто-центрическому радиусу молодых объектов (зон НІГ, У-излуче¬ния и т.д.) и изменением по радиусу степени сжатия газа в ГУБ.
5. Для нейтрального водорода, плотность которого невелика по сравнению со звездной, учет его собственной гравитации прак¬тические не влияет на расчет изотермического течения газа, в частности, на параметры галактической ударной волны, откуда, следует, что расчеты ГУВ без учета собственной гравитации впол¬не оправданы.
6. Эффекты собственной гравитации могли бы быть сущест¬венными и для течения газа, и для спиральной волны в целом, если бы такой компонент межзвездной среды, как молекулярный водород имел большую плотность [32,37,38] и представлял собой при этом сплошную среду с изотермическим уравнением состояния.
7. Однако, в случае экстремально больших оценок плотности Но динамически роль Hg определяется тем обстоятельством, что молекулярный водород образует бесстолкновительную, неувлекае-мую сплошной средой систему газовых облаков. Она должна рас¬сматриваться в рамках тех же уравнений, что и звездная компо¬нента. В гидродинамическом приближении движение этой системы

- 130 -
является адиабатическим с показателем адиабаты У = 2. При этом, как следует из расчетов, даже на расстоянии R = 5 кпк формируется не мощная ударная волна, как в сплошной изотерми¬ческой среде, а лишь слабое возмущение плотности с пренебрежи¬мо малой собственной гравитацией.
8. Учет процессов нагрева и охлаждения в межзвездной сре¬де, с которыми в равновесном состоянии связана возможность двухфазного состояния газа, оказывает существенное влияние на эволюцию газа в спиральной волне. Если не рассматривать этих процессов, то возможны два типа течения: непрерывное и галак¬тическая ударная волна. При включении тепловых процессов в до¬полнение к этим известным типам течения реализуются следующие:
а) Галактическая ударная волна с фазовым переходом-образо¬
ванием плотных холодных облаков, такой же переход может быть и
при непрерывном течении в области сжатия газа. Эта ситуация
реализуется при низкой начальной плотности газа, соответствую¬
щей горячей фазе на кривой равновесия. Расчет этого варианта
позволяет увидеть не только фазовый переход, но и действие
триггерного механизма звездообразования в ударной волне.
б) Трехфазное течение - то есть течение с образованием
горячих каверн и плотных холодных облаков, которые сосуществу¬
ют с начальной умеренно холодной плотной фазой. Этот вариант
реализуется при большой начальной плотности, соответствующей
холодной фазе кривой равновесия. Фазовый переход развивается
не в области сжатия газа, а в области разрежения, то есть в
межрукавном пространстве.
в) Аккреционная волна - новый тип нелинейной волны с амп¬
литудой на полтора порядка большей, чем у галактической удар¬
ной волны в тех же условиях, но без процессов нагрева и охлаж-

- 131 -
дения. Течение с аккреционной волной не сопровождается образо¬ванием облаков. Реализуется оно также при большой начальной плотности, соответствующей холодной фазе.
9. Включение собственной гравитации газа в случае аккре¬ционной волны ведет к чрезвычайно интенсивному уплотнению и охлаждению газа в области пика волны.