Є ще одна особливість міжзоряного газодинаміки настільки важлива, що ми її виділили в окремий розділ. Мова знову піде про звукових хвилях.

Властивості міжзоряних звукових хвиль істотно змінюються, якщо ці хвилі дуже довгі. Тут як і раніше є стиснення і розрідження газу, але у дуже довгих хвиль розміри областей стиснення настільки великі, що доводиться враховувати і дію сил тяжіння.

У звичайній звуковій хвилі стиснення газу змінюється його розширенням, тому що в стислій області збільшується газовий тиск, яке і змушує потім розширюватися ту ж область газу. У довгій звуковій хвилі в області стиснення збільшується і взаємне тяжіння газу (за законом Ньютона). Чим довше звукова хвиля, тим більше маса газу в області стиснення і тим більше роль сил тяжкості. Гравітаційне тяжіння всередині області стиснення частково компенсує роль газового тиску, і тому такі хвилі, які можна назвати «важким звуком», поширюються повільніше короткохвильових.

Розрахунок показує, що швидкість хвиль «важкого звуку» визначається формулою: vs = (RT / мю - Gp лямбда2 / п) 1/2, де р - середня щільність речовини, G - постійна тяжіння Ньютона, а лямбда довжина хвилі. У коротких звукових хвиль другий член в дужках малий і швидкість vs збігається зі швидкістю звичайних хвиль cs.

Будемо розглядати всі довші хвилі. Ми бачимо, що якщо другий член стане рівним першому, т. Е. При довжині хвилі лямбдаZ = (п RT / мю Gp) 1/2, то швидкість хвилі «важкого звуку» звернеться в нуль. Хвилі більше немає, а згущення газу, яке вже більше не буде розширюватися, почне необмежено стискатися. Це явище називається гравітаційної нестійкістю, а величина лямбдаJ - довжиною гравітаційної нестійкості Джинса.

Але цим не обмежуються особливості довгих звукових хвиль в міжзоряному середовищі. До речі, оскільки довжина цих хвиль дуже велика, давайте не будемо їх називати звуковими, а позначимо просто «хвилями щільності».

Ми вже знаємо, що шар міжзоряного середовища обертається, отже, всередині нього є і відцентрова сила. Очевидно, що при утворенні стиснень і розрідження слід враховувати поряд з газовим тиском і дією сили тяжіння і відцентрові сили. Вони приведуть до ще одного зміни виразу для швидкості хвиль щільності. Тепер отримаємо: vs = (RT / мю - G р лямбда2 / п + 2 омега 2лямбда2 / п2) 1/2, де омега - кутова швидкість обертання шару міжзоряного середовища.

Однак ця формула годиться тільки в тому випадку, якщо довжина хвилі менше товщини шару міжзоряного середовища. У дуже довгих хвиль, у яких лямбда> h, де h - товщина шару міжзоряного середовища, швидкість поширення хвиль щільності:

Ця формула описує хвилю щільності, яка «біжить» уздовж шару міжзоряного середовища, приводячи до періодичних розширень і стисканням газу. З неї також слід критерій гравітаційної нестійкості, але вже для товщини шару міжзоряного середовища. Справді, якщо швидкість таких хвиль звернеться в нуль, то ми знову отримаємо «нерухоме» згущення, яке далі буде необмежено стискатися.

А тепер будемо вимагати, щоб швидкість цих хвиль щільності не зверталася б в нуль при будь-яких довжинах хвиль, т. Е. При будь-яких лямбда. Взагалі кажучи, це буде тоді, коли детермінант квадратного рівняння для лямбда, отриманого прирівнянням нулю дужки в останній формулі, менше нуля. Звідси знаходимо, що шар міжзоряного середовища буде стійким, якщо його товщина менше межі:

Звідси випливає дуже важливий висновок. Міжзоряне середовище не може займати в міжзоряному просторі обсяг всієї Галактики, вона розпадається на окремі згущення. Але якщо міжзоряне середовище сконцентрується в вигляді шару, що обертається в площині Галактики, тоді її розподіл стане стійким.

Підтвердимо цей висновок числовими оцінками.

В шарі міжзоряного середовища нашої Галактики щільність газу порядку 10-24г / см3, кутова швидкість обертання дорівнює омега = 250 км / сХ10 КПС = 8 • 10-16 с-1. Температура всередині шару змінюється, як ми знаємо, в широких межах. В цьому випадку під величиною корінь RT / мю слід розуміти не швидкість звичайного звуку, а характерну швидкість переміщення газових хмар в міжзоряному середовищі, яка становить близько 8 км / с. При цих значеннях отримуємо, що шар міжзоряного середовища в Галактиці стійкий, якщо його товщина менше 300 пс, що і підтверджується спостереженнями.

Отже, в першому наближенні шар міжзоряного середовища стійкий і не розпадається на окремі згущення, якщо він досить тонкий. Але з цього шару можуть поширюватися стійкі довгі хвилі щільності, викликаючи періодичні коливання швидкості і щільності газу. Виявляється, що такі хвилі в шарі міжзоряного середовища дійсно існують і це є не що інше, як спіральна структура Галактики.

Хвиля щільності може мати різну форму фронту. Найпростішим випадком є ​​кругова хвиля. Наприклад, можна уявити собі таку картину: від центру галактики розходяться концентричні кругові хвилі чергуються стиснень і розрідження. Тоді, спостерігаючи зверху шар міжзоряного середовища, ми побачили б, що він складається з кілець великої щільності, що чергуються з проміжками меншої щільності. Такі кільцеві галактики дійсно спостерігаються, хоча і рідко. Справа в тому, що порушити кільцеву хвилю важко, так як для цього «генератор» хвилі в центрі галактики повинен мати строго симетричну форму. Ймовірніше освіту несиметричною хвилі «важкого звуку», причому в цьому випадку фронт хвилі в першому наближенні має форму спіралі. Це дійсно часто зустрічається в галактиках, хоча правильна форма їх спіралей і не так часто спостерігається. Як показують спостереження, найчастіше зустрічається спіральна структура, що складається з двох спіральних рукавів. Вона виникає наприклад, якщо в центрі галактики обертається так званий «бар» - скупчення зірок, що має вигляд витягнутого в площині галактики еліпсоїда. «Бар» обертається навколо центру галактики подібно стрижня близько поперечної осі, що проходить через центр. Від кінців «бару» відходять обурення у вигляді хвиль щільності, причому легко переконатися, що фронт цієї хвилі дійсно буде мати форму спіралі з двома рукавами (рис. 18). Число витків спіралі залежить від швидкості поширення хвиль щільності, відстань між сусідніми витками дорівнює половині довжини хвилі.

Схематичне зображення хвиль щільності

Спіральна хвиля має дві компоненти швидкості: радіальну (при переміщенні хвилі вздовж радіуса шару) і кутову (при переміщенні по азимуту, т. Е. Вздовж окружності навколо центру галактики). У кругової хвилі немає азимутальной швидкості, а є тільки радіальна.

Повернемося до рис. 10 на стор. 32. Там показано, що на монотонну залежність швидкості обертання диска міжзоряного середовища накладаються хвилеподібні обурення - це і є наслідок коливань газу в спіральної вовка щільності. За амплітудою цих коливань і по їх періоду (в залежності від відстані до центру Галактики) можна оцінити і параметри спіральної хвилі щільності в Галактиці, ймовірно, найдовшою «звуковий» хвилею, яка спостерігається в природі.

Довжина цієї хвилі близько 4 КПС, амплітуда швидкостей коливань газу 10 км / с, амплітуда зміни щільності речовини в хвилі 5%, кутова швидкість переміщення хвилі по азимуту (4-6) • 10-16 с-1, кут між напрямком фронту спіральної хвилі і окружністю в даній точці близько 7 °. В інших галактиках параметри спіральних хвиль щільності приблизно того ж порядку.

Треба, однак, відзначити, що таке просте уявлення про спіральному рукаві, як про правильну хвилю щільності, «недостатньо для опису всієї складності даного явища. Зокрема, всередині рукава з'являється і спіральна ударна хвиля, яка відіграє дуже важливу роль у всій проблемі утворення зірок. Але перш ніж зупинитися на описі цього випадку, повернемося знову до явища кругової хвилі щільності, що дає кільцеву структуру. Ця хвиля, яка переміщається тільки уздовж радіуса зі швидкістю близько 10 км / с (і, отже, перетинає всю Галактику за 2 млрд. Років), не створює ударної хвилі. Швидкості коливань газу в хвилі порядку швидкості звуку і тому тут не виникає великого стиснення.

Інша річ в разі спіральної хвилі. Правда, в радіальному напрямку вона як і раніше переміщається з малою швидкістю (~ 10 км / с), але в азімутальном- вона швидше, її швидкість (250 км / с X sin 7 ° ~ 30 км / с) вже багато більше швидкості звуку . Це призводить до появи стрибка щільності з сильним стисненням таза всередині спірального рукава (в 8-10 разів).

В області спірального рукава збільшується також величина магнітного поля і концентрація частинок космічних променів. Ущільнення газу спостерігається по радіолінії «водню 21 см, збільшення магнітних полів - по посиленню ефекту поляризації випромінювання, а збільшення концентрації частинок космічних променів - щодо посилення синхротронного випромінювання.

Концентрація зірок в області спіральних рукавів також збільшується, але незначно, не більше ніж на 5-10%. Однак в спіральних рукавах початкове стиснення газу повинно викликати інтенсивне зореутворення. Саме тут займаються яскраві гарячі зірки, існуючі порівняно недовго. Вони створюють і компактні зони НII. Тому спіральні рукави виділяються на тлі інших зірок кількістю яскравих, гарячих зірок і яскравих туманностей. За їхніми відділами можна також оцінити параметри спіральних хвиль «важкого звуку». Спіральну структуру легше вивчати в інших галактиках, де вона проявляється більш чітко (див. Зображення галактики М 51 на обкладинці).

Тепер ми вже знаємо про властивості міжзоряного середовища досить, щоб перейти і до обговорення самої проблеми утворення зірок з міжзоряного середовища.