S. GRZęDZIELSKI
Z rozum ienie powstawania i trw ałości ramion s p ir a ln y c h napotyka w ciąż b a r dzo znaczne t r u d n o ś c i. Główną przyczyną je st różniczkowa r o t a c ja g a lak tyczn a powodująca w ielokrotne o w ija n ie s ię ramion wokół środka G a lak ty k i w c z a s ie krrćfc szym od przypuszczaln ego wieku systemu g a la k ty c zn e g o . Ja k z w r ó o il i na to uwagę niedawno P r e n d e r g a s t i B u r b r i d g e [ l ] trwałe is t n i e n i e ta k ic h ramion ja k ie obserwujemy u w ię k s zo ś c i g alak ty k s p ir a ln y c h (t z n . ramion o stosunkowo n ie d u ż e j i l o ś c i zwojów) n ie dop uszcza równoczesnego zach od zen ia t r z e c h , zdawałoby s i ę , rozsądny ch i natu ralny ch za ł o ż e ń :
1 . pozostaw ania m a t e r ii w ram ieniu spira lnym ,
2 . kołowośoi prędkości r o t a c j i (z wyjątkiem obszarów w p o b liżu ś r o d k a ), 3 . n ie z a l e ż n o ś c i kołowych prędkości r o t a c j i od c z a s u .
Trwałośó ram ienia s p ir a ln e g o mogłaby byó zachow ana, gdyby m ateria z n a jd u ją ca s ię w ram ieniu n ie b r a ł a u d z ia ł u w ró żniczkow ej r o t a o jl g a l a k t y c z n e j. Jes t to Jednak trudne do p r z y ję o l a zarówno ze względów obserw acyjnych, Jak 1 teo re ty czn ych .
Próbę w y jśo la z tych tru dn ości p o d ję l i osta tn io H o y l e l l r e l a n d [ 2 ] . Podstawowym ic h założeniem Jest p r z y ję c ie , że pole magnetyczne na począt k u , t z n . w momenole formowania s ię G a l a k t y k i, było m niej w ięc ej jednorodne 1 l e żało w p ł as zc zy ź n ie równikowej systemu ga laktycznego przechodząc przez Jego śro d ek . Na drodze numerycznej p r z e ś l e d z i l i oni d a le j ew oluuję poozątkowo pro s to lin io w y ch l i n i i s i ł , zachodzącą pod wpływem ró żn iczk ow ej r o ta c ji.K o lejn e e t a py o w ija n ia s ię l i n i i s i ł wokół środka przedstaw io ne są na r y s . 1 . Odpowiadają one k o lejn o momentom późniejszym o s t o , d w ie ś c ie , t r z y s t a 1 c z te r y s ta milionów la t od momentu początkowego. Krzywa z a le ż n o ś c i prędkości r o t a o jl od środka Ga l a k t y k i u żyta przez autorów w tych o b l ic z e n ia c h n ie u w zg lę d n ia ła Isto tn y c h od chyleń od kołowoścl ruchów w centralnych c z ę ś c ia c h . Nie zm ien ia to oczyw iście Jakośolowyoh r e z u lta tó w , zw łaszc za ż e .o d n o s z ą s ię one przede wszystkim do ob szarów znao enle od Jądra oddalonych.
Ja k wldaó z powyższego rysunku llo ś ó zwojów rośnie lin io w o z czasem . Jest rzeo zą godną u w a g i, te po czter y s tu m ilio n a ch la t llośó powstałyoh zwojów odpo w iada l l o ś o l zwojów id en ty fiko w an y ch osta tnio przez U i 1 1 s a [3] w naszym system ie galaktycznym na podstawie o b serw acji rozkładu radiowego św ie c en ia nie- term io zneg o. J e ż e lib y wlęo o w ija n ie s ię l i n i i s i ł wokół środka następowało przaz okres 1 0 ’° l a t , to a k tu a ln a llośó zwojów powinna byó o czy n n ik 2 5 w ię k s za od ob serwowanej.
266 Z literatury naukowej
ramion spiralnych wokół środka odpowiada zwiększaniu długości linii sił a za tem zwiększaniu gęstości energii 1 ciśnienia magnetyoziiego. Według bardzo przy bliżonych oszacowań ciśnienie magnetyczne w okresie czasu 5 x 1 0 6 lat wzrośnie na tyle, że będzie V» stanie skompensować prostopadłą do płaszczyzny Galaktyki
Rys. 1. Owijanie się linii sił wokół środka Galaktyki wywołane różniczkową ro tacją. Zakłada się, że w momencie początkowym linie sił były prostoliniowi le żały w płaszczyźnie równika Galaktyki przechodząc przez jej środek.Stan po 400
Z literatury naukowej 267
składową siły przyciągania grawitacyjnego. Oznacza to, że gaz w ramionach spi ralnych będzie miał tendencję do ekspansji w kierunku prostopadłym do płasz czyzny równika. Tendencja ta będzie szczególnie silnie wyrażona w obszarach 0 gęstości mniejszej od gęstości średniej (np. na skutek przypadkowych fluktua cji), tam bowiem bilans sił ciężkości 1 siły ciśnienia magnetycznego będzie ą>e- cjalnie dla ekspansji korzystny. Doprowadzi to w tych obszarach do oderwania się linii sił od płaszczyzny równika. Gaz związany z systemem linii sił będzie teraz spływał wzdłuż tych linii na dół, powodując dalsze zmniejszenie gęstości 1 Jeszcze szybszy ruch linii sił ku górze. V/ rezultacie długie łuki linii sił pola w ramionach spiralnych mogą zostaó wypchnięte poza płaszczyznę równikową. H o y l e 1. I r e l a n d przypuszczają, że w Galaktyce istnieje stan sta cjonarny: ilośó zwojów powstających w Jednostce czasu na skutek różniczkowej ro tacji równa się ilości zwojów wypychanych ku górze; w ten sposób pragną oni utrzymywaó ilośó zwojów na poziomie żądanym przez obserwacje.
Propozycja H o y l e a i I r e l a n d a pociąga za sobą pewne dal sze interesujące konsekwencje. Po pierwsze, linie sił wypchnięte poza płaszczy znę równika galaktycznego mogą by6 źródłem hipotetycznego pola magnetycznego w gazowej koronie Galaktyki. Po drugie, energia kinetyczna gazu spływająceg) do płaszczyzny równika wzdłuż wznoszących się linii sił, może kompensowaó straty energii kinetycznej makroskopowych ruchów gazu wynikające z różnych procesów dyspacjl. Oczywiście ilośó energii w ten sposób uzyskiwana na Jednostkę czasu nie może byó większa od pracy wykonywanej w Jednostce czasu przez rotację róż niczkową nad polami magnetycznymi Galaktyki. W założeniu, że natężenie pola Jest rzędu 10 5 gaussów uzyskuje się w ten sposób 10 !7erg/cm3 sek. A takie wła śnie tempo utraty energii uzyskuje się z analizy rozmaitych procesów dysypacji. Tak więc w zrozumieniu H o y l e ’ a 1 I r e l a n d a różniczkowa rotacja galaktyczna miałaby byó głównym rezerwuarem energii makroskopowych ruchów ga zu. Jest to opinia raczej odosobniona: na ogół przyjmuje się, że źródłem ener gii kinetycznej ruchów gazu jest ekspansja obszarów H II wokół nowonarodzonych gwiazd wczesnych typów, a zatem w ostatniej instancji - energia procesów jądro
-27 a wych w gwiazdach Uzyskuje się wówczas również dopływ energii rzędu 10 eigfcm s&u
Sprawa jest więc dyskusyjna, zwłaszcza że otrzymana przez H o y 1 e* a i I r e l a n d a zgodnośó tempa przypływu z tempem utraty energii Jest niezbyt prze konywująca: ze względu na znaczną niepewność oszacowań pola magnetycznegow ra mionach spiralnych i zależnośó energii magnetycznej od kwadratu natężenia po la równie dobrze można uzyskaó tempo przypływu o czynnik 10 mniejszy.
I wreszcie ostatnia konsekwencja. Jeżeli system ramion spiralnych Galakty ki raa tracló poszczególne zwoje, to pozostające w płaszczyźnie równika fragmen ty nie powinny tworzyó cląęłej struktury ramienia dającej się prześledzló od środka aż do peryferii, lecz raczej zespół nie powiązanych ze sobą łuków.Isto tnie, obserwacje rozkładu neutralnego wodoru w naszej Galaktyce wykazują (przy najmniej w chwili obecnej) większe podobieństwo do systemu łuków niż do obrazu ciągłego ramienia spiralnego. Inaczej ma się jednak sprawa w innych systemach spiralnych gdzie na ogół obserwuje się dwa lub trzy długie ramiona,co prawda od noszące się do rozkładu gwiazd wczesnyoh typów a nie bezpośrednio neutralnego wodoru. H o y l e i I r e l a n d bronią swojej koncepcji wypowiadając przy
puszczenie, że istnienie długich, ciągłych ramion Jest złudzeniem wynikłyn z ten dencji oka ludzkiego do łąozenia poszozególnych łuków na kliszy na dłuższe ze społy.
268 Z literatury naukowej
LITERATURA
[1] K .H . P r e n d e r g a s t , G .R . B u r f c r l d g e , A p .J . 1_31, 2 4 3 ,1 9 6 0 . [2 ] F. H o y 1 e, J .G . I r e l a n d , . M .N. 120, 173, 1960.