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星系动力学

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  研究恒星系统中物质分布和运动状态的动力学理论,又称恒星动力学。这里所说的恒星系统是指由恒星以及星际气体和星际尘埃所组成的整体。常见的恒星系统是双星聚星星团星协星系以及星系团。星系的主要成分是几十亿到几千亿颗恒星以及一定含量的星际气体。处理象星系这样巨大的恒星系统,不能只用动力学的方法,还必须要用统计的概念和方法。但是,星系中的恒星几乎完全没有碰撞,其平均自由程比星系直径大得多,其弛豫时间比星系的年龄还要长,因此不能直接利用统计物理学的方法。这就要求星系动力学一定要有自己独特的方法。
  星系动力学中两个最基本的物理量是:分布函数Ψ和引力势函数 V。基本参考系通常采用原点在星系中心,基本平面在星系盘上的柱面坐标系(掚,θ,)。(∏,Θ,Z)表示相应的速度分量,t表示时间。引力势是位置与时间的函数V(掚,θ,,),而分布函数是位置、速度与时间的函数ψ(掚,θ,,∏,Θ,Z,)。星系动力学的基本方程是:无碰撞玻耳兹曼方程与泊松方程。在柱面坐标系中它们可以写为:

星系动力学

式中的π是圆周率,G是万有引力常数,ρ是星系中的物质密度(包括恒星与气体)。此外,还要用到流体动力学方程来讨论星际气体或者模拟恒星盘。无碰撞玻耳兹曼方程是刘维尔相体积不变定理的直接推论。1915年,金斯首先把它用于星系动力学。因此,在天文学文献中也称为金斯方程或刘维尔方程。金斯对引力势 V作了一些理想的简化假设,然后求解分布函数的通积分。从此开始了星系动力学的理论研究。
  随着星系较差自转的发现,完成了速度椭球分布理论的研究。1927年,林德布拉德求出了速度椭球与奥尔特常数(见银河系自转)之间的重要关系。1928年,在分布函数Ψ服从速度椭球分布律的假设下,奥尔特解出轴对称星系的分布函数,成功地解释了星系较差自转的现象。1940年,昌德拉塞卡在椭球分布的假设下,对分布函数Ψ进行了最一般的理论研究。他精确地表述了星系动力学中的基本概念,细心地论证了星系动力学中的重要结果,写出一本恒星动力学的经典著作。他在书中证明,在具有较差自转的有限稳恒态恒星系统中,势函数一定是轴对称的,即V=V(,)。
  旋涡星系具有旋涡结构,通常有两条明亮的旋臂。这在表面上似乎同较差自转的事实有矛盾。所谓星系作较差自转,就是说,到星系中心的距离不同,自转角速度也不同。里边快,外边慢,旋臂越转越紧,几圈以后就会破坏。四十年代,林德布拉德提出了星系密度波理论来解释旋涡结构的存在。他认为旋臂并不是永远由一些固定的恒星组成的“物质臂”,而是随着时间的不同由不同的恒星组成的。旋臂是引力势最小的地方,因此这里聚集了更多的恒星。反过来,聚集的恒星又使得那里的引力势最小。这就是密度波理论的基本思想。林德布拉德计算了单个恒星在星系引力场中的轨道。六十年代以后,发展成为用电子计算机对星系进行“数值试验”的方法。从1964年开始,林家翘和徐遐生完成了密度波的理论。他们提出了准稳旋涡结构(QSSS)假说,认为旋涡星系的基态是稳恒的而且是轴对称的,同时有一个旋涡形式的摄动迭加在基态之上。他们证明,旋涡结构一旦形成就会长期维持下去。他们求出了密度波的色散关系并成功地解释了大量的观测事实,同时又在密度波理论的基础上,研究了大尺度的星系激波,为解释恒星的形成提供了一种可能的机制。
  星系动力学的研究虽然成果不少,但是尚未解决的问题仍然很多。旋涡结构的起源还不清楚,有关棒旋星系的动力学几乎一无所知,就是已经建立起来的理论,也大都带有半经验的性质。
  参考书目
 林家翘著,胡文瑞、韩念国译:《星系螺旋结构理论》,科学出版社,北京,1977。
 戴文赛编著:《恒星天文学》,科学出版社,北京,1965。

 

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