Бар (астрономия)

Бар, также перемычка в астрономии — вытянутая структура из звёзд и газа в галактическом диске. Бар может присутствовать у дисковых галактиклинзовидных, спиральных и неправильных. От половины до двух третей дисковых галактик, в том числе и Млечный Путь, имеют бар. Наличие и выраженность бара — один из критериев классификации галактик.

NGC 1300спиральная галактика с выраженным баром

Бар образуется при возникновении гравитационной неустойчивости в тонком диске галактики. Для этого нужна либо достаточно высокая скорость вращения диска, либо небольшая скорость вращения и большие радиальные скорости звёзд. Бары оказывают заметное влияние на родительские галактики и являются одним из основных агентов внутренней вековой эволюции — изменений в галактике в течение длительного времени, не зависящих от её окружения.

Описание и характеристики

Бар, также называемый перемычкой — структура вытянутой формы в плоскости галактического диска, которая представляет собой уплотнение из звёзд и газа. Чаще всего центр бара находится там же, где и центр диска, но в маломассивных галактиках их положение может не совпадать. В спиральных галактиках с баром спиральные рукава начинаются не в центре галактики, а на концах бара. Бар может наблюдаться у дисковых галактиклинзовидных, спиральных и неправильных[1][2][3]. У некоторых галактик может быть больше одного бара: известны галактики с двумя и даже с тремя барами[4].

Бар — устойчивое образование, которое в отдельно взятой галактике существует на протяжении многих её оборотов. Бар вращается как единое целое, в ту же сторону, что и диск, но, как правило, с немного меньшей угловой скоростью. При этом звёзды, составляющие бар, не находятся в нём всё время, в отличие, например, от балджа. Звёзды постоянно входят в бар и покидают его, но их повышенная концентрация в области бара остаётся, так что внешний вид бара не изменяется — подобным образом возникают и спиральные рукава в теории волн плотности[1][2].

Из всех галактик около трети имеет бар, включая Млечный Путь, а из дисковых — по разным оценкам, от половины до двух третей[1]. Звёзды в барах в основном старые и красные, поэтому в ультрафиолетовом диапазоне большинство баров не наблюдается. В среднем светимость бара составляет 10% светимости всей галактики, но может достигать и 30%[5], в галактиках в современной Вселенной около 15% массы звёзд содержится в барах. В целом, в галактиках с барами по сравнению с галактиками без бара цвет и металличность слабее меняются с радиусом, а газ сильнее сосредоточен к центру[6].

Наличие и выраженность бара — один из критериев классификации галактик. Так, спиральные галактики в системе Хаббла делятся на нормальные, обозначаемые S, у которых бар отсутствует, и пересечённые, обозначаемые SB, где он имеется. В системе де Вокулёра кроме нормальных (SA) и пересечённых спиральных галактик (SB) выделяются спиральные галактики переходного типа, обозначаемые SAB. В этой схеме по выраженности бара классифицируют не только спиральные, но и линзовидные и неправильные галактики[7][8][9].

Параметризация

Форма бара и его изофот хорошо описывается обобщёнными эллипсами[6][10]:

где и большая и малая полуоси, и — координаты вдоль большой и малой оси, а — параметр, задающий форму обобщённого эллипса. Эта формула при превращается в уравнение эллипса. Обычно для описания формы бара лучше всего подходят , но также используется и [6][10].

Распределение поверхностной яркости в баре часто моделируется модифицированной функцией Феррерса. Для распределения яркости вдоль большой оси бара она имеет следующий вид[11]:

В этой формуле — поверхностная яркость в центре бара, — расстояние до границы бара, дальше которой поверхностная яркость считается равной нулю. Параметры и отвечают за скорость убывания яркости, соответственно, у границы и у центра бара[11].

Закон Серсика, часто используемый для описания балджей и дисков, может использоваться и для баров — для них обычно находится в диапазоне от 0,5 до 1[6][10].

Возникновение баров

Бар образуется при возникновении гравитационной неустойчивости в тонком диске галактики. Существует как минимум два механизма образования бара: барообразующая неустойчивость и неустойчивость вытянутых орбит[12].

Барообразующая неустойчивость, или бар-мода образует бар, если скорость вращения диска достаточно велика, в этом случае образование бара становится энергетически выгодным. Количественно критерий неустойчивости выражается через энергию вращения диска и его потенциальную энергию : если отношение составляет более 0,14—0,20 (точное значение зависит от параметров модели), то за 1—2 оборота галактики возникает бар. Аналогичная ситуация возникает в механике несжимаемых самогравитирующих тел: при достаточно больших энергиях вращения они превращаются из сплюснутого эллипсоида Маклорена в вытянутый эллипсоид Якоби. Помешать образованию бара может достаточно большая дисперсия скоростей в галактике и наличие массивной сферической подсистемы галактики: балджа или тёмного гало. По всей видимости, крупные бары образуются именно таким образом[12].

Неустойчивость вытянутых орбит, напротив, возникает при медленном вращении диска и больших радиальных скоростях звёзд. Если звёзды движутся по близким вытянутым орбитам, то из-за гравитационного взаимодействия между ними орбиты прецессируют и сближаются ещё больше, и также образуется бар. Такой механизм образования бара неэффективен для слабо вытянутых орбит, поэтому он должен проявляться в основном в центральных областях диска, в которых радиальная дисперсия скоростей звёзд велика. Кроме того, бары, которые образуются таким способом, должны иметь малую скорость вращения[12].

Влияние на галактики

Бары оказывают заметное влияние на родительские галактики и являются одним из основных агентов внутренней вековой эволюции — изменений в галактике в течение длительного времени, не зависящих от её окружения. Поскольку бары несимметричны относительно оси галактики, они перераспределяют угловые моменты звёзд и газа, что приводит к изменению галактической структуры[6][13].

Бары перемещают газ таким образом, что он формирует спиральные рукава и кольца, давление в нём увеличивается и из атомарного он становится молекулярным, в нём начинается звездообразование. Из областей вне бара газ перемещается к окраине галактики, а из области в пределах радиуса бара — в самый центр. Это приводит к сглаживанию градиентов металличности и к увеличению центрального сосредоточения газа, что и наблюдается в галактиках с барами (см. выше). Сосредоточение газа в центре, в свою очередь, может приводить к активности галактического ядра, однако в галактиках с активными ядрами бары не наблюдаются чаще, чем в галактиках без активного ядра[6][13].

Бары также влияют на движение звёзд. Посредством бара угловой момент перераспределяется между звёздным диском и тёмным гало, из-за чего звёзды также сильнее сосредотачиваются к центру. Кроме того, под действием бара орбиты звёзд могут меняться и покидать плоскость диска галактики, из-за чего со временем увеличивается сферическая составляющая галактики — в частности, балдж. С учётом активного звездообразования балдж формируется довольно эффективно — за несколько миллиардов лет может образоваться балдж массой в миллиард масс Солнца. Балджи, сформированные таким образом, частично сохраняют динамические свойства диска и называются псевдобалджами. В ближней Вселенной такими являются балджи многих галактик, возможно даже большинства, в том числе и Млечного Пути[6][13].

Примечания

  1. Bars. Astronomy. Swinburne University of Technology. Дата обращения: 15 октября 2021.
  2. Засов, Постнов, 2011, с. 377.
  3. Сурдин В. Г. Бар Галактики. Астронет. Дата обращения: 19 октября 2021.
  4. Erwin P. Double-barred galaxies. I. A catalog of barred galaxies with stellar secondary bars and inner disks (англ.) // Astronomy and Astrophysics. — Les Ulis: EDP Sciences, 2004. — 1 March (vol. 415). P. 941–957. ISSN 0004-6361. doi:10.1051/0004-6361:20034408.
  5. Gadotti D. A. Secular evolution and structural properties of stellar bars in galaxies (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Oxf.: Wiley-Blackwell, 2011. — 1 August (vol. 415). P. 3308–3318. ISSN 0035-8711. doi:10.1111/j.1365-2966.2011.18945.x.
  6. Gadotti D. A. Barred Galaxies: an Observer's Perspective // Chaos in Astronomy / edited by G. Contopoulos, P.A. Patsis. N. Y.: Springer, 2009. — Vol. 8. — P. 159. — 497 p. — (Astrophysics and Space Science Proceedings). — ISBN 3-540-75826-7. — ISBN 978-3-540-75826-6. doi:10.1007/978-3-540-75826-6_15.
  7. Гаген-Торн В. А. Галактики. Большая российская энциклопедия. Дата обращения: 19 октября 2021.
  8. Hodge P. W. Galaxy. Other classification schemes and galaxy types (англ.). Encyclopedia Britannica. Дата обращения: 19 октября 2021.
  9. Keel W. C. Galaxies and the Universe — Galaxy Classification. Astronomy. University of Alabama. Дата обращения: 19 октября 2021.
  10. Kim T., Sheth K., Gadotti D. A., Lee M. G., Zaritsky D. The Mass Profile and Shape of Bars in the Spitzer Survey of Stellar Structure in Galaxies (S4G): Search for an Age Indicator for Bars (англ.) // The Astrophysical Journal. — Bristol: IOP Publishing, 2015. — 1 January (vol. 799). P. 99. ISSN 0004-637X. doi:10.1088/0004-637X/799/1/99.
  11. Blázquez-Calero G., Florido E., Pérez I., Zurita A., Grand R.J.J. Structural and photometric properties of barred galaxies from the Auriga cosmological simulations (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Oxf.: Wiley-Blackwell, 2020. — 1 January (vol. 491). P. 1800–1819. ISSN 0035-8711. doi:10.1093/mnras/stz3125.
  12. Засов, Постнов, 2011, с. 378—380.
  13. Сурдин, 2017, с. 323—325.

Литература

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.