Vybrané kapitoly z astrofyziky:
PŘÍČKY, PRSTENCE A VZPLANUTÍ TVORBY HVĚZD
V DYNAMICE A VÝVOJI DISKOVÝCH GALAXIÍ
Bruno Jungwiert
Astronomický ústav AV ČR
oddělení: Dynamická astronomie
pracovní skupina: Dynamika galaxií
Praha
listopad 2001
I. Úvod
B. Jungwiert: Příčky, prstence a vzplanutí tvorby hvězd v dynamice a vývoji galaxií
Přibližně u dvou třetin diskových (tj. spirálních a čočkovitých) galaxií je v optickém oboru v jejich
centrálních částech pozorován oválný útvar, nazývaný příčka (bar).1), 2)
Infračervená pozorování v posledním
desetiletí odhalila příčky i v mnoha galaxiích dříve klasifikovaných jako „normální“, tj. bez
příčky.3)
N-částicové simulace hvězdných disků galaxií, provedené na přelomu 60. a 70. let 20. století s cílem
studovat spirální strukturu, vedly k překvapivému zjištění, že vzniku příčky v realistickém modelu
diskové galaxie je téměř nemožné se vyhnout.4)
Následné simulace i teoretické práce v 70. a 80. letech
ukázaly, že příčková nestabilita (bar instability nebo bar forming instability) je přirozenou
gravitační nestabilitou v rotujících hvězdných discích, v nichž je většina kinetické energie hvězd soustředěna
v systematické rotaci kolem galaktického středu a jen menší část v náhodných pohybech. Po
vzniku nestability samotné, k němuž z hlediska života galaxie dochází relativně rychle (108
– 109
let),
je hvězdná příčka velmi stabilním útvarem, který na škále 1010
let (Hubbleův čas) nezaniká a vyvíjí se
(slábne) jen zvolna. To však neplatí, je-li v galaxii přítomno větší množství plynu. Za těchto okolností
může příčka zaniknout, případně může k jejímu vzniku a zániku docházet opakovaně.
Přes vysokou frekvenci svého výskytu stály příčky po několik desetiletí, až do provedení výše uvedených
simulací, na okraji zájmu a pozornost se soustředila především na galaktická spirální ramena.
Dnes je zřejmé, že z hlediska morfologie je u diskové galaxie „normální“ příčku mít, spíše než nemít.
Příčka je zjevně přítomna i v naší Galaxii5)
a v nejbližších spirálních galaxiích: Messier 31 (M 31),
Velké a Malé Magellanovo mračno (LMC, SMC).
Přinejmenším v jedné pětině diskových galaxiích lze pozorovat útvary nazývané prstence (rings),
v další třetině pak pseudo-prstence (neúplné prstence).6)
Jejich výskyt je ve většině případů spojen s
existencí příčky a zároveň s přítomností plynu. Podle polohy v galaxii se prstence (pod tímto označením
jsou v dalším zahrnuty i pseudo-prstence) klasifikují na vnější (outer rings; průměrný poloměr
10 kpc), vnitřní (inner rings; 5 kpc) a nukleární (nuclear rings; 500 pc). Jsou známy i případy, kdy
jsou v jedné galaxii čtyři prstence najednou. Prstence jsou speciálním problémem morfologie, dynamiky
a vývoje galaxií. Ve většině z nich probíhá intenzivní tvorba hvězd, přičemž v některých galaxiích
jsou prstence jedinými oblastmi, kde hvězdy v současné době vznikají. Některé z prstenců jsou
místem neobvykle silných vzplanutí tvorby hvězd (starburst).
V dalším bude ukázáno, že vznik prstenců je přirozeným důsledku kinematiky plynu v příčkovém
(tj. osově nesymetrickém) potenciálu. S pohybem plynu v příčce je zřejmě úzce spjata i aktivita
galaktických jader (activity of galactic nuclei), ať již jde o intenzivní tvorbu hvězd nebo o aktivitu
spojenou s akrecí plynu na centrální masivní černou díru. Nutnou podmínkou pro obě tyto aktivity je
totiž přísun dostatečného množství plynu. Jeho přesun do centrálních galaktických partií ovšem naráží
na tzv. problém momentu hybnosti (angular momentum problem): aby bylo možné přesunout plyn
z galaktocentrické vzdálenosti několika kiloparseků do centrálního parseku, je nutno zredukovat jeho
moment hybnosti typicky o šest řádů. Takové snížení momentu hybnosti není samozřejmostí a je centrální
otázkou problému „tankování“ galaktických jader (fuelling of galactic nuclei).
Ukazuje se, že nejúčinnějším mechanismem pro přenos momentu hybnosti plynu v galaktických
discích jsou právě osově nesymetrické poruchy gravitačního pole, především příčky (v menší míře též
spirální ramena). Osová nesymetrie potenciálu dává vznik tangenciální složce gravitační síly v galaktickém
disku a s ní spojenému gravitačnímu silovému momentu (gravity torque), který plynu odnímá
či přidává (v závislosti na poloze v galaxii) moment hybnosti. Ukazuje se, že klasická galaktická
příčka je bez potíží schopna přenést plyn z kiloparsekových vzdáleností do vzdáleností řádově 100 pc
od centra galaxie. Pro přesun plynu do menších galaktocentrických vzdáleností je však zřejmě neefek-
tivní.
1)
Příloha č. 1: Revidovaná Hubbleova klasifikace.
2)
Příloha č. 2: Příklady galaxií se silnou příčkou (typ SB), slabou příčkou (SAB) a bez příčky (SA).
3)
Příloha č. 3: Pozorování a klasifikace galaxií v blízké infračervené oblasti.
4)
Příloha č. 4: Jedna z prvních N-částicových simulací galaktického disku (Hohl F., 1971, ApJ 168, 343).
5)
Příloha č. 5: Příčka v Mléčné dráze.
6)
Příloha č. 6: Příklady pozorování prstenců a jejich klasifikace.
2
B. Jungwiert: Příčky, prstence a vzplanutí tvorby hvězd v dynamice a vývoji galaxií
Příčkou způsobená akumulace plynu v centrální oblasti – nukleárním disku nebo nukleárním
prstenci o rozměru řádově 100 pc – může vést k tomu, dosáhne-li kritického stupně, k dynamickému
oddělení (dynamical decoupling) této oblasti od okolí. Jednou z možností je, že v nukleárním disku
dojde k příčkové nestabilitě, podobně jako je tomu u vzniku klasické příčky. Výsledkem může být tzv.
dvojpříčka (double bar) – též zvaná příčka v příčce (bar-within-bar) – sestávající z velkorozměrné
klasické příčky (s rozměrem typicky několika kiloparseků) a v ní vnořené, o jeden až dva řády menší
nukleární příčky (nuclear bar). Jelikož je tato malá příčka produktem příčky velké, označuje se též
jako sekundární příčka (secondary bar) či příčka-dítě (baby-bar).
Scénář vzniku dvojpříčky byl navržen v roce 1989 (Shlosman et al., Nature 338, 45) právě s cílem
vyřešit problém přenosu momentu hybnosti při tankování galaktických jader: navržený model
dokazoval, že sekundární příčka je schopna „převzít štafetu“ od velkorozměrné příčky a díky svému
gravitačnímu silovému momentu přenést plyn ze sto-parsekových galaktocentrických vzdáleností do
centrálního parseku. Možnost vzniku dvojpříček byla záhy potvrzena v N-částicových simulacích a
mnoho takových systémů bylo nalezeno observačně, především v blízké infračervené oblasti. Problematika
vzniku, dynamiky, stability a vývoje nukleárních příček a s nimi příbuzných útvarů (nukleárních
disků a nukleárních prstenců) je v současnosti oblastí aktivního výzkumu.
Jak naznačily výše uvedené odstavce, příčka má dalekosáhlé důsledky pro vzhled galaxie, její kinematiku,
dynamiku, tvorbu hvězd, aktivitu galaktického jádra a celkově pro galaktický vývoj. Klíčovými
pojmy pro pochopení podstaty příčky a jejích důsledků jsou: (ne)stabilita galaktických disků, orbitální
struktura v osově symetrické galaxii a v hvězdné příčce (především rodiny periodických
drah), orbitální rezonance (Lindbladovy rezonance, korotace, vertikální rezonance), disipace kinetické
energie při srážkách plynných mračen, gravitační silový moment a radiální přenos hmoty a
momentu hybnosti. Tyto pojmy jsou stručně probrány v následujících sekcích.
II. Kritéria gravitační nestability
1. Jeansovo kritérium v plynném a hvězdném homogenním prostředí
Pro homogenní a izotermální nekonečné plynné prostředí, charakterizované hustotou ρ0 a rychlostí
zvuku cS, odvodil Jeans (1929) následující kritérium gravitační nestability (G je gravitační konstanta):
π1/2
cS
λ > λJ = ———
(Gρ0)1/2
Kritérium říká, že každá porucha v hustotě, která bude mít vlnovou délku větší než λJ (Jeansova délka
– Jeans length) bude gravitačně nestabilní (zjednodušeně řečeno, oblast větší než Jeansova délka bude
gravitačně nestabilní). Čím více bude v plynu náhodných pohybů (charakterizovaných rychlostí zvuku
cS), nebo-li čím teplejší plyn bude, tím bude prostředí stabilnější.
Obdobné kritérium platí i pro bezkolizní hvězdné prostředí s tím rozdílem, že rychlost zvuku je nahrazena
disperzí rychlostí hvězd σ:
π1/2
σ
λ > λJ = ———
(Gρ0)1/2
Disperze rychlostí hvězd charakterizuje náhodné pohyby hvězd a – v analogii s rychlostí zvuku v plynu
– je určitým měřítkem odporu prostředí vůči vzniku gravitační nestability.
Jedním z důležitých důsledků Jeansova kritéria je, že náhodné pohyby (plynu nebo hvězd) stabilizují
krátké vlnové délky (λ < λJ), avšak vždy existuje kritická vlnová délka (λJ), nad níž jsou poruchy
gravitačně nestabilní. Dlouhé vlnové délky je však v principu možno stabilizovat rotací. Nejčastěji po-
3
B. Jungwiert: Příčky, prstence a vzplanutí tvorby hvězd v dynamice a vývoji galaxií
užívaným kritériem pro nestabilitu diskových galaxií, pro něž je rotace podstatnou charakteristikou, je
níže popsané Toomreovo kritérium.
2. Toomreovo kritérium gravitační nestability v diferenciálně rotujícím disku
Toomre (1964) odvodil kritérium pro gravitační nestabilitu diferenciálně rotujícího plynného a
hvězdného (dvou-dimenzionálního) disku (s plošnou hustotou Σ):
cS κ σR κ
Q = ——— (pro plynný disk), Q = ———— (pro hvězdný disk),
πGΣ 3.36 GΣ
kde cS je opět rychlost zvuku plynu, σR je radiální disperze rychlostí hvězd (jednou z charakteristik
hvězdných systémů je, že na rozdíl od plynu v nich disperze rychlostí obecně není izotropní) a κ je tzv.
epicyklická frekvence (viz sekce III).
Bezrozměrný parametr Q se nazývá Toomreův parametr. Je-li Q > 1, disk je stabilní pro všechny
vlnové délky (nejkratší vlnové délky jsou stabilizovány náhodnými pohyby, nejdelší rotací, střední
vlnové délky oběma faktory). Pro Q < 1 je disk v určitém intervalu vlnových délek nestabilní (rozsah
tohoto intervalu závisí na konkrétní hodnotě Q); krajním případem je Q = 0, kdy v disku neexistují náhodné
pohyby (všechna kinetická energie je v systematické rotaci, plyn/hvězdy se pohybují po přesně
kruhových drahách): takový disk je nestabilní od nejkratší vlnové délky (λ = 0) až po určitou vlnovou
délku (λcrit), nad níž je stabilizován rotací.
Je třeba zdůraznit, že Toomreovo kritérium platí pouze pro osově symetrické poruchy a navíc jen
lokálně: udává, zda se osově symetrická gravitační porucha, která se šíří daným místem, bude v tomto
místě zeslabovat nebo zesilovat (Q je obecně funkcí galaktocentrické vzdálenosti, protože s ní se mění
σR ,κ i Σ).
Galaktické příčky a spirální ramena osově symetrickými poruchami nejsou, a proto pro jejich vznik
Toomreovo kritérium není rozhodující. Přesto je však Toomreovo Q určitým vodítkem a často se používá
jako jedna z důležitých charakteristik galaktických disků. Numerické simulace totiž ukazují, že
čím větší je Q, tím stabilnější je disk i vůči vzniku příček a spirálních ramen, i když kritickou
hodnotou pro vznik takových nestability již není Q = 1 (například příčka v N-částicových simulacích
vzniká do hodnot Q = 2 až 3).7)
Je často označováno jako jejich „teploměr“: disky s nízkým, středním
nebo naopak vysokým Q (neplést s IQ !) jsou nazývány kinematicky chladné (kinematically cold),
resp. vlažné (warm) nebo horké (hot).
III. Gravitační potenciál a dráhy hvězd v galaktických discích
a) Osově symetrický tenký disk
Popisovat spirální a čočkovité galaxie jako osově symetrické disky by nepochybně znamenalo
značnou idealizaci. Přesto je osově symetrický disk velice užitečným modelem. I když jsou příčky a
spirální ramena nezanedbatelnou odchylkou od osové symetrie, často je lze popsat jako poruchy superponované
na dominantní osově symetrickou část potenciálu.
Pozorování ukazují, že radiální závislost (azimutálně vystředované) plošné hustoty hvězd ve spirální
nebo čočkovité galaxii, Σ (R), lze dobře vystihnout tzv. exponenciálním diskem:
7)
Příloha č. 7: Vznik spirálních ramen a příčkové nestability v N-částicové simulaci: a) Q = 0 (silně nestabilní disk),
b) Q = 1 (nestabilní disk), c) Q = 2.5 (stabilní disk).
4
B. Jungwiert: Příčky, prstence a vzplanutí tvorby hvězd v dynamice a vývoji galaxií
Σ (R) = Σ0 exp(– R/a), (III-1)
kde Σ0 a a jsou konstanty, plošná hustota ve středu disku, resp. charakteristická škála (scale-length)
disku. V numerických modelech diskových galaxií se často používá dvou-dimenzionální ToomreKuzminův
disk, pro jehož plošnou hustotu platí:
Σ0
Σ (R) = —————— (III-2)
[1 + (R/a)2
]3/2
Jeho výhodou je – ve srovnání s exponenciálním diskem – jednodušší vyjádření potenciálu:
GM
Φ (R,z) = – —————— (III-3)
(R2
+ |a + z|2
)1/2
V osově symetrickém potenciálu samozřejmě existují kruhové dráhy, avšak obecná dráha není
uzavřená. Typickou drahou je tzv. roseta (obr. III-1). V lineární aproximaci (tj. nejsou-li odchylky od
kruhové dráhy příliš velké) pohyb po rosetě charakterizují tři frekvence – úhlová frekvence (Ω) oběhu
kolem galaktického centra, epicyklická frekvence (κ) a vertikální frekvence (νz), popisující radiální
resp. vertikální oscilace kolem kruhové dráhy. Tyto frekvence jsou určeny derivacemi gravitačního potenciálu
v rovině symetrie disku (z = 0):
1 ∂Φ(R,z)
Ω2
= — ——— , (III-4)
R ∂R
3 ∂Φ(R,z) ∂2
Φ(R,z)
κ2
= — ——— + ——— , (III-5)
R ∂R ∂R2
∂2
Φ(R,z)
νz
2
= ——— . (III-6)
∂z2
Označíme-li R0 poloměr kruhové dráhy ležící v rovině z = 0, pak radiální a vertikální odchylky od
této dráhy (R1 a z1) lze v lineární aproximaci (na niž se v dalším omezíme) popsat jako harmonické
kmity:
R(t) = R0+ R1(t) = R0 + X cos (κt + α), (III-7a)
z (t) = z1(t) = Z cos (νzt + β), (III-7b)
kde X, Z a α, β jsou konstanty určené počátečními podmínkami dráhy (hodnoty κ a νz v rovnicích III-7
odpovídají příslušné kruhové dráze s poloměrem R0).
V dalším se navíc omezíme na pohyb v rovině disku (z = 0). V rámci této tzv. epicyklické aproximace
lze rosetu matematicky popsat jako dráhu, která vznikne složením dvou pohybů: rovnoměrného
pohybu po kružnici a pohybu po eliptickém epicyklu (radiální oscilace totiž implikují i oscilace v
tangenciálním směru, probíhající se stejnou frekvencí), jehož střed leží na této kružnici (obr. III-2).
Rovnoměrný pohyb po kružnici a oscilace jsou charakterizovány výše uvedenými frekvencemi Ω a κ,
které jsou obecně nesoudělné (proto dráha není uzavřená). Pro realistické galaktické disky platí ne-
rovnosti:
Ω ≤ κ ≤ 2 Ω (III-8)
5
B. Jungwiert: Příčky, prstence a vzplanutí tvorby hvězd v dynamice a vývoji galaxií
Extrémními případy jsou Keplerův potenciál (κ = Ω; dobré přiblížení pro velké galaktocentrické
vzdálenosti) a potenciál homogenní sféry (κ = 2Ω; dobré přiblížení pro centrální oblasti galaxií), v
nichž jsou příslušné frekvence v poměru celých čísel a dráhy jsou uzavřené elipsy (v případě homogenní
sféry leží střed elipsy ve středu sférického rozložení hmoty). Pro plochou rotační křivku, v
níž lineární kruhová rychlost, Vc, nezávisí na galaktocentrické vzdálenosti (typická vlastnost galaktických
disků s výjimkou centrálních oblastí), platí κ = √2Ω.
Z výše uvedených nerovností mj. vyplývá, že radiální oscilace probíhají s vyšší frekvencí než pohyb
okolo středu disku (s výjimkou Keplerova potenciálu). Částice na rosetě tedy během jednoho oběhu
kolem středu disku vykoná více než jednu radiální oscilaci, tj. do dvou po sobě následujících apocenter
se dostane dříve než uzavře oběh v azimutu. Na rosetu proto také může být zjednodušeně nahlíženo
jako na eliptickou dráhu, která koná precesi v retrográdním směru (s výjimkou Keplerova potenciálu
a potenciálu homogenní sféry).
Orientace epicyklu je taková, že jedna z jeho poloos míří do centra disku a druhá ve směru rotace
(přičemž pohyb po epicyklu probíhá v retrográdním směru, tedy v opačném smyslu než pohyb středu
epicyklu kolem centra disku). Poměr poloos epicyklu je určen výhradně potenciálem (na rozdíl od velikosti
epicyklu, který závisí na konkrétní dráze). Je-li X poloosa epicyklu v radiálním směru (viz
rovnice III-7a) a Y jeho poloosa v tangenciálním směru, platí pro jejich poměr:
Y / X = 2Ω / κ , (III-9)
což vzhledem k výše uvedeným nerovnostem pro frekvence (III-8) implikuje nerovnost:
1 ≤ Y / X ≤ 2. (III-10)
Pro Keplerův potenciál má epicykl poměr poloos Y/X = 2, pro plochou rotační křivku √2 a pro potenciál
homogenní sféry je epicykl kruhový (Y/X = 1). Obecně je poměr poloos funkcí vzdálenosti od
středu disku.
Závěrem jeden konkrétní případ: epicykl Slunce. V okolí Slunce (galaktocentrická vzdálenost 8.5
kpc) je rotační křivka naší Galaxie přibližně plochá (Vc = konst. = 220 km/s) a frekvence Ω a κ mají
přibližně tyto hodnoty:
Ω0 = 25.8 km/s/kpc, κ0 = 36 km/s/kpc.
Oběh Slunce kolem galaktického středu tedy trvá přibližně 240 milionů let, zatímco oběh po
epicyklu (tj. doba mezi dvěma po sobě následujícími apocentry) jen 170 milionů let. Poměr poloos
slunečního epicyklu je zhruba 1.4, jejich absolutní velikost cca 700 a 500 pc. V současné době se
Slunce nachází ve vnitřní části svého epicyklu (obr. III-3), blíží se k pericentru své dráhy a pohybuje
se vyšší než kruhovou rychlostí.
b) Disk s příčkou
1. Potenciál příčky, pohybová rovnice a nucené kmity
Galaktickou příčku lze v rovině disku (na niž se omezíme) v prvním přiblížení popsat bi-symetrickým
potenciálem typu
Φbar (R, φ) = Φ2 (R) cos (2φ), (III-11)
který rotuje s úhlovou rychlostí Ωbar, konstantní v čase i prostoru. Φ2 (≤ 0) je radiálně závislá
amplituda. R a φ jsou polární souřadnice, přičemž φ je úhel měřený od hlavní osy příčky.
Celkový potenciál disku s příčkou lze potom zapsat jako superpozici Φbar a osově symetrického
potenciálu Φ0 (R) (například Toomre-Kuzminův potenciál z rovnice III-3):
Φ (R, φ) = Φ0 (R) + Φbar (R, φ) (III-12)
6
B. Jungwiert: Příčky, prstence a vzplanutí tvorby hvězd v dynamice a vývoji galaxií
Rotace příčky znamená, že potenciál Φbar (a tedy i Φ) je v inerciální souřadné soustavě časově
proměnný (energie částic, které se v něm pohybují, se nezachovává). Pro vyšetření drah v příčkovém
potenciálu je proto vhodné přejít do neinerciální soustavy pevně spojené s příčkou. Tato soustava rotuje
s konstantní úhlovou rychlostí Ωbar a potenciál v ní není závislý na čase. Pohybová rovnice pro
testovací částice v této soustavě bude:
d2
r dr
— = – grad Φ – 2 (Ωbar × — ) – Ωbar × (Ωbar × r). (III-13)
dt dt
Druhý a třetí člen na pravé straně vyjadřují Coriolisovu, resp. odstředivou sílu. Tuto rovnici lze
zjednodušit zavedením efektivního potenciálu
Φeff = Φ – 0.5 |Ωbar × r|2
= Φ – 0.5 Ω2
bar R2
(III-14)
do tvaru:
d2
r dr
— = – grad Φeff – 2 (Ωbar × — ) (III-15)
dt dt
Obr. III-4 ukazuje charakteristický vzhled izočar efektivního potenciálu (hlavní osa příčky je vodorovná).
Body L1, … L5 – nazývané Lagrangeovy body (v analogii s obdobnými body, které hrají významnou
úlohu v omezeném problému tří těles) – jsou stacionární, tj. odstředivá a gravitační síla se v
nich navzájem ruší: částice nacházející se v těchto bodech může v inerciální soustavě obíhat po
kruhové dráze (s úhlovou frekvencí Ω = Ωbar, tj. korotuje s příčkou), zatímco v soustavě rotující s příčkou
se nepohybuje. Bod L3 (v centru příčky) je minimem efektivního potenciálu a je vždy stabilní; L4 a
L5 (v prodloužení malé osy příčky) jsou maxima Φeff, která mohou, ale nemusí být stabilní (to závisí na
konkrétním příčkovém potenciálu); L1 a L2 (na hlavní ose příčky) jsou nestabilní sedlové body. Prstencová
oblast procházející body L1, L2, L4 a L5 se nazývá oblast korotace (corotation region).
V lineární aproximaci lze obecnou dráhu v příčkovém potenciálu opět popsat pomocí radiální odchylky
(R1) od kruhové dráhy (s poloměrem R0):
R(t) = R0+ R1(t) = R0 + X cos (κt + α) + f(R0) cos [2 (Ω – Ωbar) t], (III-16)
kde X a α jsou opět libovolné konstanty, κ a Ω jsou epicyklická, resp. úhlová frekvence kruhové dráhy
(obě počítané z osově symetrické části potenciálu) a f(R0) je funkce galaktocentrické vzdálenosti.
Označíme-li
∆ = κ2
– 4(Ω – Ωbar)2
, (III-17)
pak
1 dΦ2 2ΩΦ2
f(R0) = – — {—— + —————}, (III-18)
∆ dR R(Ω – Ωbar)
přičemž hodnoty κ, Ω, Φ2 a dΦ2/dR v rovnicích III-16 až III-18 jsou brány v R0.
Z rovnice III-16 je patrné, že radiální odchylka R1 je obecně superpozicí harmonických kmitů probíhajících
s epicyklickou frekvencí (první dva členy na pravé straně jsou totožné s pravou stranou
rovnice III-7a) a nucených kmitů o frekvenci 2(Ω – Ωbar), což je frekvence, s jakou částice pohybující
se po dráze blízké kruhové potkává dvě po sobě následující maxima (nebo minima) potenciálu příčky.
7
B. Jungwiert: Příčky, prstence a vzplanutí tvorby hvězd v dynamice a vývoji galaxií
2. Orbitální rezonance
Velmi důležitými pojmy v galaktické dynamice jsou orbitální rezonance. Jsou to oblasti, v nichž
je některá z přirozených frekvencí kmitů kolem kruhové dráhy soudělná s frekvencí nucených kmitů
(vyvolaných příčkou nebo spirálními rameny). Základními rezonancemi jsou ty, kde se přirozené frekvence
rovnají frekvencím nucených kmitů. V rovině disku existují dvě přirozené frekvence kruhové
dráhy: epicyklická frekvence κ (vychýlíme-li částici na kruhové dráze v radiálním směru, začne kolem
kruhové dráhy oscilovat s touto frekvencí) a azimutální frekvence, která je rovna 0 (vychýlíme-li částici
na kruhové dráze v azimutálním směru, bude pokračovat v pohybu po kruhové dráze).*
Základní
rezonance v potenciálu příčky – kde je frekvence nucených kmitů rovna 2(Ω – Ωbar) – tedy splňují
rovnice:
2(Ω – Ωbar) = 0 (III-19a)
a
2(Ω – Ωbar) = ± κ, (III-19b)
neboli:
Ωbar = Ω, (III-20a)
Ωbar = Ω – κ/2, (III-20b)
Ωbar = Ω + κ/2. (III-20c)
Rezonance určené rovnicemi III-20 se nazývají:
korotační rezonance (též korotace) (corotation resonance, corotation) –
CR
vnitřní Lindbladova rezonance (inner Lindblad resonance) – ILR
vnější Lindbladova rezonace (outer Lindblad resonance) – OLR
Obr. III-6(a,b) ukazuje typický radiální průběh křivek Ω, κ, Ω + κ/2 a Ω – κ/2 (odvozených z osově
symetrické části potenciálu) pro diskovou galaxii. První tři křivky monotónně klesají s galaktocentrickou
vzdáleností, zatímco Ω – κ/2 má v galaktickém středu nulovou hodnotu, poté roste a po dosažení
maxima monotónně klesá. Je-li v galaktickém disku příčka, pak průsečíky křivek Ω– κ/2, Ω a Ω +
κ/2 s Ωbar určují (podle rovnic III-20) polohy ILR, CR a OLR.
Z obr. III-6 je zřejmé, že:
1) disková galaxie s příčkou má typicky jednu korotaci a jednu OLR, avšak může mít dvě, jednu
nebo žádnou ILR v závislosti na relativní hodnotě úhlové rychlosti rotace příčky vůči maximu křivky
Ω– κ/2 (vysoké maximum má tato křivka pro galaxie s vysokou centrální koncentrací hmoty, tj. pro
galaxie raných Hubbleových typů; naopak pro pozdní galaktické typy je toto maximum zpravidla níz-
ké);
2) směrem od středu galaxie po sobě hlavní rezonance následují v pořadí: ILR (jsou-li dvě, označují
se ILR1 a ILR2), CR a OLR.
*
To není v rozporu s tvrzením – uvedeným v části III. a), v odstavci za rovnicemi III-7 – podle něhož radiální
oscilace implikují též oscilace tangenciální (azimutální). Jakmile je hvězda vychýlena z kruhové dráhy v radiálním
směru, skutečně osciluje i ve směru azimutálním: složení radiálních a azimutálních oscilací, jež probíhají s
toutéž frekvencí κ, pak dává eliptický epicykl. Pokud je ale hvězda z kruhové dráhy vychýlena přesně v azimutálním
směru, k žádným oscilacím nedojde.
8
B. Jungwiert: Příčky, prstence a vzplanutí tvorby hvězd v dynamice a vývoji galaxií
3. Periodické dráhy a rodiny periodických drah
V soustavě rotující s příčkou je dráha popsaná rovnicí III-16 obecně neuzavřená. Avšak uzavřené
(periodické) dráhy existují. Nejdůležitější případ je ten, když se X v rovnici III-16 rovná nule: radiální
odchylka od kruhové dráhy je dána nucenými kmity vyvolanými příčkou,
R1(t) = f(R0) cos [2 (Ω – Ωbar) t], (III-21)
přičemž frekvence těchto kmitů, 2(Ω – Ωbar), je dvojnásobkem „efektivní“ úhlové frekvence, Ω – Ωbar,
s níž se částice, jež má v inerciálním systému úhlovou frekvenci Ω, pohybuje kolem středu galaxie v
soustavě rotující s frekvencí Ωbar; dráhy s X = 0 proto v soustavě spojené s příčkou vykonají během
jednoho oběhu v azimutu dvě radiální oscilace. Ve slabé příčce mají tyto dráhy eliptický tvar. V silné
příčce mohou být komplikovanější (viz obr. III-5c), avšak jejich osy souměrnosti jsou vždy shodné s
osami souměrnosti příčky.
Orientace výše zmíněných periodických drah (tj. skutečnost, zda je jejich velká poloosa rovnoběžná
s velkou poloosou příčky, nebo je na ní kolmá) závisí na znaménku f(R0) (rovnice III-18). Z
rovnic III-17 až III-19 plyne, že ke změně tohoto znaménka, a tedy ke změně orientace drah, dochází
na korotaci a Lindbladových rezonancích.
Periodické dráhy v příčkovém potenciálu lze rozdělit do „orbitálních rodin“ (orbital families). V
rámci jedné rodiny mají dráhy stejnou orientaci, liší se však energií (a tím i velikostí) a detailním tvarem.
Hlavními rodinami jsou:
1) rodina x1 (dráhy typu x1) – viz obr. III-5(a,c) – dráhy této rodiny mají stejnou orientaci hlavní
poloosy jako příčka; existují uvnitř korotace s výjimkou oblasti mezi dvěmi ILR; většina hvězd v
galaktické příčce se pohybuje po kvazi-periodických (tj. ne zcela uzavřených) drahách blízkých
drahám typu x1 (dráhy typu x1 tedy tvoří „kostru“ příčky);
2) rodina x2 (dráhy typu x2) – viz obr. III-5(a) – dráhy této rodiny jsou protáhlé ve směru kolmém
na příčku. Mohou existovat pouze mezi dvěmi ILR; časově vystředované rozložení částic pohybujících
se po drahách typu x2 není kompatibilní s rozložením hmoty v příčce; proto, má-li být příčka stabilním
útvarem, se po těchto drahách nemůže pohybovat příliš mnoho hmoty; tato skutečnost hraje důležitou
úlohu při vzniku dvojpříček, při zásobování galaktických jader plynem a při destrukci příčky
(viz sekce V.); s drahami typu x2 je zřejmě také spojena existence nukleárních prstenců;
3) rodiny periodických drah v blízkosti OLR – viz obr. III-5(b); uvnitř OLR jsou tyto dráhy orientovány
kolmo na příčku (většinou mají charakteristický „osmičkový“ tvar), vně OLR rovnoběžně s
příčkou. Je-li příčka silná, většina drah mezi CR a OLR je nestabilních (jedním z důsledků je, že příčka
sahá maximálně ke své korotaci, druhým, že v reálných galaxiích s příčkou je oblast mezi CR a
OLR často relativně prázdná – viz snímky galaxií v příloze č. 6); s periodickými drahami u OLR je
spjata existence vnějších prstenců;
4) uvnitř korotace (avšak vně ILR, pokud existuje) lze nalézt rezonance vyšších řádů, tj. oblasti
splňující podmínky
m (Ω – Ωbar) = κ, (III-22)
kde m je celé číslo. U některých z těchto rezonancí mohou existovat rodiny periodických drah
(částice na takové rezonanční dráze vykoná v soustavě rotující s příčkou m radiálních oscilací během
jednoho azimutálního oběhu; viz obr. III-5c). V příčkových galaxiích má významnou dynamickou úlohu
rezonance 4/1 (m = 4; též ultra-harmonická rezonance, UHR) a s ní spojená rezonanční rodina
4/1, která je zřejmě odpovědná za vznik a vzhled vnitřních prstenců.
9