Спиральные волны газа и гравитирующей плазмы в неосесимметричном гравитационном потенциале

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 5-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 У-body экпериментов.

Численные модели

Численная модель звездного диска основана на классических технологиях У-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:

Т = А -Пп(^) +

arctg «) _| 1 _1п £      2

Рис. 1. Модель сильно неосесимметричного гало: слева - распределение объемной плотности гало в плоскости симметрии диска, справа - модуль гравитационной силы

где £ = д/(х/а)2 + (_у/Л)² + (д/6)² , величина А = АкСр^а? определяется центральной плотностью гало р» (рис. 1).

В случае а = b имеем центрально-симметричное распределение. Расчеты проведены для серии моделей с а / b = 1ч-1,15, в которых оказывается возможным формирование долгоживущих спиральных структур (рис. 2). На рисунке 3 показаны временные зависимости Фурье-гармоник для различных азимутальных мод т = 1, 2, 3, 4, 5, 6 (ос ехр(гт^>} ). После / > 4 устанавливается квазистационарная спиральная структура, у которой доминирует двухрукавная мода. Выделяется также мода т = 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 Q^ 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 (I). 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)

Рис. 3. Зависимости амплитуд Фурье-гармоник от времени для различных азимутальных чисел т

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; радиальная 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.