10.3 Галактические петли
При наблюдениях за облаком HI в диске галактики (в области, где скорость вращения не зависит от расстояния от центра) было обнаружено красное смещение линии нейтрального водорода в ее спектре на 42 микрона относительно гелиоцентрической системы отсчёта. Исходя из этого, оцените возможные галактические долготы этого облака. Считайте, что скорость вращения в галактике постоянна на расстояниях от центра, больших 0 = 4 кпк, а радиус галактического диска составляет = 15 кпк. Толщиной диска Галактики и отклонением от круговых орбит пренебречь.
Ответ
Показать ответ
Ответ: ∈ [14∘ ; 48∘ ] ∪ [216∘ , 324∘ ].
Решение
Показать решение
Решение.
Как известно, нейтральный водород излучает на линии 0 = 21 см. Исходя из этого, мы можем получить гелиоцентрическую лучевую скорость облака:
Отдельно отметим, что наблюдается красное смещение, а значит, облако удаляется от наблюдателя. Галактическая долгота отсчитывается от направления от Солнца S на центр Галактики O против часовой стрелки (если смотреть с северного полюса Галактики). Обозначим облако на рисунке буквой H и определим его лучевую скорость. Поскольку и Солнце, и облако находятся дальше 4 кпк от центра Галактики, примем их скорости одинаковыми и равными скорости на плато зависимости скорости от расстояния – , расстояние от Солнца до центра Галактики обозначим за 0, от облака до центра Галактики за . Вращение Галактики при этом происходит по часовой стрелке (опять же при наблюдении из северного полюса).
Тогда гелиоцентрическая лучевая скорость может быть выражена так:
Выражая из теоремы синусов для треугольник SOH синус угла получаем:
Сразу обозначим = / . В результате получаем связь между и для фиксированного :
В качестве оценки возьмём расстояние от Солнца до центра Галактики 0 = 8.3 кпк, а скорость на плато = 230 км/с. В данной задаче получаем:
Перейдём к нахождению возможных галактических долгот. Рассмотрим отдельно два случая: когда облако нейтрального водорода находится к центру Галактики ближе, чем Солнце и дальше, чем Солнце.
Первый случай. Рассмотрим вариант, когда ≤ 0, то есть облако не дальше от центра Галактики, чем Солнце. В таком случае для фиксированного существует максимально возможная галактическая долгота (аналог максимальной элонганции). Отдельно отметим, что, так как положительное, sin также должен быть положительным, а, значит, < 180∘ . Выражая sin , получим:
При этом есть ограничение на sin :
В результате получаем:
Также из условия наблюдаемое облако нейтрального водорода уже находится на плато скоростей, а значит:
Видим, что галактическая долгота монотонно растёт с ростом для данного случая. Значит, границы для будут соответствовать граничным галактическим долготам:
Итого, имеем ограничения на галактическую долготу для первого случая:
Второй случай. Рассмотрим вариант, когда > 0, то есть облако дальше от центра Галактики, чем Солнце. Здесь у нас нет дополнительных ограничений на , поэтому ограничения на галактическую долготу будут определяться из ограничений на . Заметим, что 0 / < 1, поэтому в данном случае sin < 0. Итак, из прошлого пункта:
При увеличении значение sin в данном случае монотонно растёт. При этом снизу есть естественное ограничение sin ≥ −1. Заметим, что такая граница снизу не выходит за рамки рассматриваемого случая. Действительно, при sin = −1 получаем = 11.2 кпк, что больше чем 0, а значит именно sin ≥ −1 является нижней границей. Перейдём к оценке сверху:
Итого, получаем ограничения на галактическую долготу для второго случая:
На рисунке красными линиями обозначены геометрические места точек, где может располагаться облако HI для данного в обоих случаях.
Критерии
Показать критерии
| Критерии оценивания. | 15 | |
|---|---|---|
| К1. | Определение лучевой скорости облака | 2 |
| К2. | Оценка скорости вращения на плато и расстояния от Солнца до центра Галактики | 2 |
| К3. | Получение уравнения связи для галактической долготы, расстояния и скорости | 3 |
| К4. | Рассмотрение случая 𝑟 ≤ 𝑟0 | 5 |
| Определение максимальной галактической долготы для этого случая 3 | ||
| Определение минимальной галактической долготы для этого случая (на 4 кпк) 2 | ||
| К5. | ≥ Рассмотрение случая 𝑟 𝑟0 | 3 |
| Нахождение диапазона sin 𝑙2 | ||
| Диапазон галактических долгот для этого случая 1 | ||
| Если перепутано направление отсчёта галактической долготы или вращения Галактики, | ||
| максимальные оценки по К4 и К5 составляют 3 и 2 балла соответственно, остальное оце | ||
| нивается в полной мере. | ||
| Если получено неверное, но разумное значение лучевой скорости, К1=0, максимальные | ||
| баллы за К4 и К5 составляют 4 и 2 соответственно. | ||
| Если в модели участника облако движется в сторону, противоположную движению Солн | ||
| ца, по критерию К3 ставится оценка 0, максимальные оценки за критерии К4, К5 состав | ||
| ляют 3 и 2 балла. |