ЗВЁЗДНАЯ КИНЕМА́ТИКА

ЗВЁЗДНАЯ КИНЕМА́ТИКА, раз­дел звёзд­ной ас­тро­но­мии, изу­чаю­щий за­ко­но­мер­но­сти дви­же­ния звёзд, га­за и звёзд­ных ско­п­ле­ний в га­лак­тич. под­сис­те­мах. З. к. опи­ра­ет­ся на на­блю­де­ния лу­че­вых ско­ро­стей и собств. дви­же­ний, а так­же на из­ме­рен­ные рас­стоя­ния до объ­ек­тов. Про­из­ве­де­ния ком­по­нен­тов собств. дви­же­ния на рас­стоя­ния пред­став­ля­ют со­бой ком­по­нен­ты тан­ген­ци­аль­ной ско­ро­сти. Про­стран­ст­вен­ные ско­ро­сти из­вест­ны да­ле­ко не все­гда, по­это­му в З. к. при­ме­ня­ют­ся ме­то­ды ана­ли­за трёх­мер­но­го (про­стран­ст­вен­ные ско­ро­сти), дву­мер­но­го (соб­ст­вен­ные дви­же­ния) и од­но­мер­но­го (лучевые ско­ро­сти) по­лей ско­ро­стей.

Для опи­са­ния дви­же­ния объ­ек­тов в Га­лак­ти­ке ис­поль­зу­ет­ся фор­ма­лизм, ана­ло­гич­ный гид­ро­ди­на­ми­че­ско­му. Осн. раз­ли­чие со­сто­ит в том, что объ­ек­ты раз­ной при­ро­ды дви­жут­ся в Га­лак­ти­ке по-раз­но­му, по­это­му вво­дит­ся по­ня­тие ско­ро­сти цен­трои­да объ­ек­тов, т. е. ср. ско­ро­сти рас­смат­ри­вае­мых объ­ек­тов в не­боль­шом эле­мен­те объ­ё­ма Га­лак­ти­ки. Ско­рость цен­трои­да яв­ля­ет­ся ана­ло­гом ско­ро­сти по­то­ка в гид­ро­ди­на­ми­ке, и в ста­ти­стич. смыс­ле это ско­рость сис­те­ма­тич. дви­же­ния. Ско­рость ка­ж­дой звез­ды от­кло­ня­ет­ся от ср. зна­че­ния, и это от­кло­не­ние, в ста­ти­стич. смыс­ле рас­смат­ри­вае­мое как слу­чай­ный век­тор ско­ро­сти, на­зы­ва­ют ос­та­точ­ной ско­ро­стью. Рас­пре­де­ле­ние ос­та­точ­ных ско­ро­стей обыч­но опи­сы­ва­ет­ся трёх­мер­ным нор­маль­ным за­ко­ном с тре­мя разл. дис­пер­сия­ми ско­ро­стей по осям ко­ор­ди­нат (т. н. эл­лип­сои­даль­ное рас­пре­де­ле­ние ос­та­точ­ных ско­ро­стей Шварц­шиль­да). В нач. 20 в. ни­дерл. ас­тро­ном Я. Кап­тейн пы­тал­ся объ­яс­нить на­блю­да­е­мую вы­тя­ну­тость рас­пре­де­ле­ния ос­та­точ­ных ско­ро­стей на­ли­чи­ем двух звёзд­ных по­то­ков, дви­жу­щих­ся в раз­ных на­прав­ле­ни­ях. Не­мно­го позд­нее К. Шварц­шильд пред­ло­жил совр. объ­яс­не­ние. Дис­пер­сии ско­ро­стей мож­но рас­смат­ри­вать как ком­по­нен­ты тен­зо­ра дав­ле­ния, и в этом смыс­ле звёзд­ная сис­те­ма пред­став­ля­ет со­бой звёзд­ный «газ» с ани­зо­троп­ным дав­ле­ни­ем. Ср. ско­рость (ско­рость цен­трои­да) и дис­пер­сии ско­ро­стей плав­но ме­ня­ют­ся с про­стран­ст­вен­ны­ми ко­ор­ди­на­та­ми, и их зна­че­ния уни­каль­ны для ка­ж­дой га­лак­тич. под­сис­те­мы. В ито­ге Га­лак­ти­ка пред­став­ля­ет со­бой смесь прак­ти­че­ски не­взаи­мо­дей­ст­вую­щих час­тиц раз­но­го ви­да, ка­ж­дый из ко­то­рых об­ла­да­ет свои­ми ки­не­ма­тич. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми.

Ана­лиз по­ля ско­ро­стей сво­дит­ся к вы­де­ле­нию сис­те­ма­тич. дви­же­ний звёзд и оцен­ке па­ра­мет­ров рас­пре­де­ле­ния ос­та­точ­ных ско­ро­стей. Наи­боль­шие ско­ро­сти сис­те­ма­тич. дви­же­ния име­ют объ­ек­ты тон­ко­го га­лак­тич. дис­ка. Они уча­ст­ву­ют в диф­фе­рен­ци­аль­ном вра­ще­нии во­круг оси сим­мет­рии Га­лак­ти­ки с уг­ло­вой ско­ро­стью, мо­но­тон­но умень­шаю­щей­ся с рас­стоя­ни­ем. При этом ли­ней­ная ско­рость вра­ще­ния в ши­ро­ком ин­тер­ва­ле рас­стоя­ний (от 2–3 до 12–15 кпк) ос­та­ёт­ся поч­ти по­сто­ян­ной и рав­ной 200–240 км/с. Та­кую кри­вую вра­ще­ния на­зы­ва­ют «пло­ской». На об­щее вра­ще­ние на­кла­ды­ва­ют­ся не­боль­шие (с ам­пли­ту­дой ок. 10 км/с) от­кло­не­ния от чис­то кру­го­во­го дви­же­ния, вы­зван­ные, ве­ро­ят­но, влия­ни­ем спи­раль­ных ру­ка­вов, рас­смат­ри­вае­мых как про­яв­ле­ние спи­раль­ных волн плот­но­сти, рас­про­стра­няю­щих­ся в дис­ке Га­лак­ти­ки, а так­же влия­ни­ем га­лак­тич. ба­ра.

Осо­бен­ность изу­че­ния ки­не­ма­ти­ки га­лак­тич. на­се­ле­ний со­сто­ит в том, что ком­по­нен­ты на­блю­дае­мой ско­ро­сти объ­ек­тов из­ме­ре­ны в сис­те­ме от­счё­та, свя­зан­ной с дви­жу­щим­ся Солн­цем, т. е. су­ще­ст­вен­но не­инер­ци­аль­ной. Ско­рость Солн­ца, как и лю­бой звез­ды га­лак­тич. дис­ка, скла­ды­ва­ет­ся из ло­каль­ной ско­ро­сти об­ще­го вра­ще­ния Га­лак­ти­ки, рав­ной при­бли­зи­тель­но 210 км/с, и ос­та­точ­ной ско­ро­сти Солн­ца, со­став­ляю­щей при­бли­зитель­но 15–20 км/с и на­прав­лен­ной в сто­ро­ну со­звез­дия Гер­ку­ле­са. Влия­ние диф­фе­рен­ци­аль­но­го вра­ще­ния Га­лак­ти­ки и ос­та­точ­но­го дви­же­ния Солн­ца на ком­по­нен­ты на­блю­дае­мой ско­ро­сти вы­ра­жа­ет­ся фор­му­ла­ми Ботт­лин­ге­ра для чис­то кру­го­вых дви­же­ний. Из них на­хо­дят ли­бо уг­ло­вую ско­рость вра­ще­ния на рас­стоя­нии, рав­ном рас­стоя­нию от цен­тра Га­лак­ти­ки до Солн­ца, и её про­из­вод­ные по рас­стоя­нию, ли­бо вид по­ли­но­ми­аль­но­го при­бли­же­ния для ско­ро­сти вра­ще­ния. Изу­чая ки­не­ма­ти­ку пло­ских под­сис­тем Га­лак­ти­ки, обыч­но счи­та­ют, что уг­ло­вая ско­рость вра­ще­ния не за­ви­сит от вы­со­ты над га­лак­тич. плос­ко­стью (ба­ро­троп­ное вра­ще­ние). По лу­че­вым ско­ро­стям звёзд оп­ре­де­ля­ет­ся толь­ко раз­ность уг­ло­вых ско­ро­стей вра­ще­ния Га­лак­ти­ки и сол­неч­но­го цен­трои­да, в то вре­мя как са­мо зна­че­ние уг­ло­вой ско­ро­сти мож­но рас­счи­тать толь­ко по соб­ст­вен­ным дви­же­ни­ям звёзд. Пе­ри­од вра­ще­ния дис­ка (га­лак­тич. год) на рас­стоя­нии Солн­ца со­став­ля­ет при­мер­но 230 млн. лет. При ана­ли­зе ки­не­ма­ти­ки близ­ких звёзд мож­но поль­зо­вать­ся уп­ро­щён­ным опи­са­ни­ем, т. н. фор­му­ла­ми Оор­та.

Для ис­сле­до­ва­ния дви­же­ния ато­мар­но­го во­до­ро­да в Га­лак­ти­ке ис­поль­зу­ют­ся про­фи­ли ра­дио­ли­ний 21 см, ис­ка­жён­ные до­п­ле­ров­ским уши­ре­ни­ем за счёт диф­фе­рен­ци­аль­но­го вра­ще­ния Га­лак­ти­ки. Гра­ни­цы про­фи­лей да­ют воз­мож­ность не­по­сред­ст­вен­но оп­ре­де­лить ско­рость вра­ще­ния га­зо­вой под­сис­те­мы в точ­ке на лу­че зре­ния, бли­жай­шей к цен­тру Га­лак­ти­ки (ме­тод тан­ген­ци­аль­ной точ­ки).

Изу­че­ние ки­не­ма­ти­ки пло­ских под­сис­тем Га­лак­ти­ки по­ка­за­ло сле­дую­щие осн. за­ко­но­мер­но­сти. Во-пер­вых, все под­сис­те­мы дис­ка вра­ща­ют­ся, т. е. диск об­ла­да­ет зна­чит. удель­ным уг­ло­вым мо­мен­том. Во-вто­рых, ср. ско­рость вра­ще­ния звёзд­ной под­сис­те­мы все­гда мень­ше кру­го­вой ско­ро­сти, оп­ре­де­ляе­мой как ско­рость дви­же­ния звез­ды по кру­го­вой пло­ской ор­би­те. Кру­го­вая ско­рость оп­ре­де­ля­ет­ся гра­ви­тац. по­тен­циа­лом, и ги­по­те­тич. объ­ект, дви­жу­щий­ся по та­кой ор­би­те, на­зы­ва­ют ме­ст­ным стан­дар­том по­коя (МСП). В-треть­их, силь­нее все­го от­ста­ют от МСП под­сис­те­мы с боль­шой дис­пер­си­ей ос­та­точ­ных ско­ро­стей. Так, тол­стый диск вра­ща­ет­ся на 40–50 км/с мед­лен­нее тон­ко­го дис­ка, на­се­лён­но­го моло­ды­ми объ­ек­та­ми, а га­ло – на 200 км/с мед­лен­нее. От­ста­ва­ние цен­трои­дов от МСП – след­ст­вие уве­ли­че­ния удель­но­го уг­ло­во­го мо­мен­та в га­лак­тич. дис­ке и па­де­ния его по­верх­но­ст­ной плот­но­сти с рас­стоя­ни­ем. В-чет­вёр­тых, боль­шая ось эл­лип­сои­да ос­та­точ­ных ско­ро­стей боль­шин­ст­ва под­сис­тем на­прав­ле­на на центр Га­лак­ти­ки, ма­лая ось – на га­лак­тич. по­лю­сы, сред­няя – вдоль вра­ще­ния дис­ка. От­но­ше­ние боль­шой и сред­ней оси для всех ло­каль­ных под­сис­тем по­сто­ян­но и оп­ре­де­ля­ет­ся фор­мой кри­вой вра­ще­ния (тео­ре­ма Лин­дб­ла­да), яв­ля­ясь функ­ци­ей рас­стоя­ния от оси. В ок­ре­ст­но­сти Солн­ца от­но­ше­ние осей со­став­ля­ет при­бли­зи­тель­но 1 : 0,64 : 0,5. Толь­ко у са­мых мо­ло­дых под­сис­тем боль­шая ось за­мет­но от­кло­ня­ет­ся от на­прав­ле­ния на центр (от­кло­не­ние вер­тек­са). Яв­ле­ние от­ста­ва­ния цен­трои­дов и ве­ли­чи­на от­но­ше­ния осей эл­лип­сои­да ско­ро­стей стро­го объ­яс­ня­ют­ся в звёзд­ной ди­на­ми­ке. В-пя­тых, пол­ная дис­пер­сия ос­та­точ­ных ско­ро­стей звёзд-кар­ли­ков пло­ских под­сис­тем рез­ко рас­тёт с по­ка­за­те­лем цве­та от 5–7 до 50–60 км/с вплоть до звёзд спек­траль­но­го клас­са G и ос­та­ёт­ся по­сто­ян­ной для бо­лее хо­лод­ных звёзд. Об­ще­при­ня­тое объ­яс­не­ние со­сто­ит в том, что в пред­по­ло­же­нии поч­ти по­сто­ян­но­го тем­па звез­до­об­ра­зо­ва­ния вме­сте со спек­траль­ным клас­сом рас­тёт ср. воз­раст звёзд-кар­ли­ков. По­сле из­ло­ма, где вре­мя жиз­ни звёзд на главной по­сле­до­ва­тель­но­сти срав­ни­ва­ет­ся с воз­рас­том дис­ка, ср. воз­раст ос­та­ёт­ся по­сто­ян­ным. Т. о., на­блю­де­ния ука­зы­ва­ют на су­ще­ст­во­ва­ние в дис­ке Га­лак­ти­ки эф­фек­тив­ных ме­ха­низ­мов ве­ко­во­го рос­та ос­та­точ­ных ско­ро­стей, т. е. «ра­зо­гре­ва» звёзд­но­го дис­ка. Гл. фак­то­ра­ми мо­гут слу­жить сбли­же­ния звёзд с мас­сив­ны­ми мо­ле­ку­ляр­ны­ми об­ла­ка­ми, влия­ние спи­раль­ных волн плот­но­сти и не­ко­то­рые ти­пы гра­ви­тац. не­ус­той­чи­во­сти.

Мощ­ное сред­ст­во ана­ли­за ки­не­ма­ти­ки дис­ка – это эпи­цик­ли­че­ская тео­рия дви­же­ния объ­ек­тов. В её ос­но­ве ле­жит пред­став­ле­ние о ма­лых ко­ле­ба­ни­ях отд. звез­ды от­но­си­тель­но пло­ской кру­го­вой ор­би­ты с тем же зна­че­ни­ем удель­но­го уг­ло­во­го мо­мен­та, про­ис­хо­дя­щих с эпи­цик­лич. час­то­той. Вви­ду ма­ло­сти ос­та­точ­ных ско­ро­стей при­ме­не­ние эпи­цик­лич. при­бли­же­ния оп­рав­дан­но для боль­шин­ст­ва дис­ко­вых под­сис­тем. В плос­ко­сти Га­лак­ти­ки звез­да опи­сы­ва­ет эл­липс, центр ко­то­ро­го дви­жет­ся с кру­го­вой ско­ро­стью, и со­вер­ша­ет гар­мо­нич. вер­ти­каль­ные ко­ле­ба­ния. Ам­пли­ту­ды ра­ди­аль­ных и вер­ти­каль­ных ко­ле­ба­ний про­пор­цио­наль­ны ос­та­точ­ной ско­ро­сти звез­ды. В об­щем слу­чае три час­то­ты – уг­ло­вая ско­рость на кру­го­вой ор­би­те, эпи­цик­лич. час­то­та и час­то­та вер­ти­каль­ных ко­ле­ба­ний – не­со­из­ме­ри­мы. В рам­ках эпи­цик­ли­че­ской тео­рии лег­ко объ­яс­ня­ют­ся мн. за­ко­но­мер­но­сти ки­не­ма­ти­ки звёзд дис­ка: ско­рость от­ста­ва­ния цен­трои­дов от МСП и её связь с дис­пер­си­ей ско­ро­стей под­сис­те­мы, фор­ма эл­лип­сои­да ско­ро­стей, связь воз­рас­та звёзд с их ки­не­ма­тич. па­ра­мет­ра­ми, про­стран­ст­вен­ным рас­пре­де­ле­ни­ем и хи­мич. со­ста­вом. Эпи­цик­лич. час­то­та иг­ра­ет важ­ную роль в тео­ри­ях спи­раль­ной струк­ту­ры га­лак­тик при опи­са­нии ре­зо­нанс­ных взаи­мо­дей­ст­вий вол­ны со звёз­да­ми и га­зом.

В от­ли­чие от дис­ка в га­ло Га­лак­ти­ки сис­те­ма­тич. дви­же­ния прак­ти­че­ски от­сут­ст­ву­ют, и га­ло в це­лом не име­ет за­мет­но­го уг­ло­во­го мо­мен­та. Звёз­ды га­ло и ша­ро­вые звёзд­ные ско­п­ле­ния дви­жут­ся по хао­ти­че­ски ори­ен­ти­ро­ван­ным, силь­но вы­тя­ну­тым ор­би­там со ср. ско­ро­стя­ми, срав­ни­мы­ми со ско­ро­стью вра­ще­ния дис­ка (ок. 200 км/с). От­ме­ча­ет­ся не­боль­шое умень­ше­ние дис­пер­сии ско­ро­стей с уве­ли­че­ни­ем рас­стоя­ния от цен­тра Га­лак­ти­ки. В ок­ре­ст­но­сти Солн­ца макс. про­стран­ст­вен­ная ско­рость объ­ек­тов га­ло со­став­ля­ет при­мер­но 400–450 км/с. Ско­ро­сти са­мых да­лё­ких объ­ек­тов га­ло – ша­ро­вых ско­п­ле­ний и кар­ли­ко­вых га­лак­тик – да­ют цен­ную ин­фор­ма­цию о мас­се тём­ной ма­те­рии в Ме­ст­ной груп­пе га­лак­тик, дос­ти­гаю­щей, воз­мож­но, 500 млрд. масс Солн­ца в пре­де­лах 50 кпк от цен­тра Га­лак­ти­ки и 1000–2000 млрд. масс Солн­ца в пре­де­лах 250 кпк.

В центр. об­лас­ти Га­лак­ти­ки, в не­по­сред­ст­вен­ной бли­зо­сти от сверх­мас­сив­ной чёр­ной ды­ры, звёз­ды дви­жут­ся со ско­ро­стя­ми, дос­ти­гаю­щи­ми 1500 км/с. Раз­ме­ры их ор­бит и ско­ро­сти по­зво­ля­ют наи­бо­лее точ­но оце­нить рас­стоя­ние от Солн­ца до цен­тра Га­лак­ти­ки, по совр. дан­ным, близ­кое к 7,5–8 кпк.