Теория волн плотности

Изображение спиральной галактики M81, объединяющее данные космических телескопов «Хаббл» , «Спитцер» и GALEX .

Теория волн плотности или теория волн плотности Линь-Шу — это теория, предложенная CC Lin и Frank Shu в середине 1960-х годов для объяснения структуры спиральных рукавов спиральных галактик . ^{[1] [2]} Теория Линь-Шу вводит идею долгоживущей квазистатической спиральной структуры (гипотеза QSSS). ^[1] В этой гипотезе спиральный узор вращается с определенной угловой частотой (скоростью узора), тогда как звезды в галактическом диске вращаются с разными скоростями , которые зависят от их расстояния до центра галактики . Наличие спиральных волн плотности в галактиках имеет последствия для звездообразования , поскольку газ, вращающийся вокруг галактики, может сжиматься и периодически вызывать ударные волны. ^[3] Теоретически образование глобального спирального узора рассматривается как нестабильность звездного диска, вызванная собственной гравитацией , в отличие от приливных взаимодействий . ^[4] Математическая формулировка теории была также распространена на другие астрофизические дисковые системы, ^[5] такие как кольца Сатурна .

Галактические спиральные рукава

Объяснение рукавов спиральной галактики.

Моделирование Галактики с простым узором спиральных рукавов. Хотя спиральные рукава не вращаются, галактика вращается. Если вы внимательно посмотрите, то увидите, как звезды с течением времени входят и выходят из спиральных рукавов.

Первоначально астрономы предполагали, что рукава спиральной галактики материальны. Однако, если бы это было так, то рукава становились бы все более и более туго закрученными, поскольку материя ближе к центру галактики вращается быстрее, чем материя на краю галактики. ^[6] Рукава стали бы неотличимы от остальной части галактики всего через несколько оборотов. Это называется проблемой закручивания. ^[7]

В 1964 году Линь и Шу предположили, что рукава не являются материальными по своей природе, а состоят из областей большей плотности, похожих на пробку на шоссе. Автомобили движутся через пробку: плотность автомобилей увеличивается в ее середине. Однако сама пробка движется медленнее. ^[1] В галактике звезды, газ, пыль и другие компоненты движутся через волны плотности, сжимаются, а затем выходят из них.

Более конкретно, теория волн плотности утверждает, что «гравитационное притяжение между звездами с разными радиусами» предотвращает так называемую проблему закручивания и фактически поддерживает спиральную структуру. ^[8]

Скорость вращения рукавов определяется как , глобальная скорость узора. (Таким образом, в пределах определенной неинерциальной системы отсчета , которая вращается со скоростью , спиральные рукава кажутся находящимися в состоянии покоя). Звезды внутри рукавов не обязательно неподвижны, хотя на определенном расстоянии от центра, , радиусе коротации, звезды и волны плотности движутся вместе. Внутри этого радиуса звезды движутся быстрее ( ), чем спиральные рукава, а снаружи звезды движутся медленнее ( ). ^[7] Для m -рукавной спирали звезда на радиусе R от центра будет двигаться через структуру с частотой . Таким образом, гравитационное притяжение между звездами может поддерживать спиральную структуру только в том случае, если частота, с которой звезда проходит через рукава, меньше эпициклической частоты , , звезды. Это означает, что долгоживущая спиральная структура будет существовать только между внутренним и внешним резонансом Линдблада (ILR, OLR, соответственно), которые определяются как радиусы, такие что: и , соответственно. За пределами OLR и внутри ILR дополнительная плотность в спиральных рукавах тянет чаще, чем эпициклическая скорость звезд, и поэтому звезды не могут реагировать и двигаться таким образом, чтобы «усилить усиление спиральной плотности». ^[8] ${\displaystyle \Omega _{gp}}$ ${\displaystyle \Omega _{gp}}$ ${\displaystyle R_{c}}$ ${\displaystyle \Omega >\Omega _{gp}}$ ${\displaystyle \Omega <\Omega _{gp}}$ ${\displaystyle m(\Omega _{gp}-\Omega (R))}$ ${\displaystyle \kappa (R)}$ ${\displaystyle \Omega (R)=\Omega _{gp}+\kappa /m}$ ${\displaystyle \Omega (R)=\Omega _{gp}-\kappa /m}$

• Анимация 1: Если бы спиральные рукава были жесткими массовыми концентрациями, галактика должна была бы вращаться как единое целое вокруг своего центра, чтобы поддерживать свою спиральную структуру. Согласно наблюдениям Линдблада и законам физики, это не так.
• Анимация 2: Дифференциальное вращение, наблюдаемое Линдбладом, привело бы к растворению спиральных рукавов за короткий промежуток времени, если бы они состояли из фиксированных концентраций масс.
• Анимация 3: Орбиты, предсказанные теорией волн плотности, допускают существование стабильных спиральных рукавов. Звезды входят и выходят из спиральных рукавов, вращаясь вокруг галактики.

Дальнейшие последствия

Теория волн плотности также объясняет ряд других наблюдений, которые были сделаны относительно спиральных галактик. Например, «упорядочение облаков HI и пылевых полос на внутренних краях спиральных рукавов, существование молодых массивных звезд и областей H II по всему рукаву и обилие старых красных звезд в остальной части диска». ^[7]

Когда облака газа и пыли попадают в волну плотности и сжимаются, скорость звездообразования увеличивается, поскольку некоторые облака соответствуют критерию Джинса и коллапсируют, образуя новые звезды. Поскольку звездообразование не происходит немедленно, звезды немного отстают от волн плотности. Горячие OB-звезды , которые создаются, ионизируют газ межзвездной среды и образуют области H II. Однако эти звезды имеют относительно короткий срок жизни и умирают, не полностью покинув волну плотности. Меньшие, более красные звезды покидают волну и распределяются по всему галактическому диску.

Волны плотности также описываются как создающие давление на газовые облака и тем самым катализирующие звездообразование. ^[6]

Применение к кольцам Сатурна

Спиральные волны плотности в кольце А Сатурна, вызванные резонансами с близлежащими лунами .

Начиная с конца 1970-х годов Питер Голдрайх , Фрэнк Шу и другие применили теорию волн плотности к кольцам Сатурна. ^{[9] [10] [11]} Кольца Сатурна (особенно кольцо A ) содержат большое количество спиральных волн плотности и спиральных изгибных волн, возбуждаемых резонансами Линдблада и вертикальными резонансами (соответственно) со спутниками Сатурна . Физика в значительной степени такая же, как и в галактиках, хотя спиральные волны в кольцах Сатурна гораздо более плотно закручены (простираются максимум на несколько сотен километров) из- за очень большой центральной массы (самого Сатурна) по сравнению с массой диска. ^[11] Миссия Кассини выявила очень маленькие волны плотности, возбуждаемые кольцевыми лунами Пан и Атлас и резонансами высокого порядка с более крупными лунами, ^[12] а также волны, форма которых меняется со временем из-за изменяющихся орбит Януса и Эпиметея . ^[13]

Смотрите также

• Спиральная галактика с перемычкой
• Темная материя
• Галактика
• Магелланова спираль
• Спиральная галактика
• Самораспространяющееся звездообразование

Ссылки

1. Lin, CC; Shu, FH (1964). «О спиральной структуре дисковых галактик». Astrophysical Journal . 140 : 646–655. Bibcode : 1964ApJ...140..646L. doi : 10.1086/147955 .
2. Шу, Фрэнк Х. (19.09.2016). «Шесть десятилетий теории спиральных волн плотности». Annual Review of Astronomy and Astrophysics . 54 (1): 667–724. Bibcode : 2016ARA&A..54..667S. doi : 10.1146/annurev-astro-081915-023426 . ISSN  0066-4146.
3. Робертс, WW (1969-10-01). "Крупномасштабное образование ударных волн в спиральных галактиках и его влияние на формирование звезд". The Astrophysical Journal . 158 : 123. Bibcode : 1969ApJ...158..123R. doi : 10.1086/150177. ISSN  0004-637X.
4. Toomre, Alar; Toomre, Juri (1972-12-01). «Галактические мосты и хвосты». The Astrophysical Journal . 178 : 623–666. Bibcode :1972ApJ...178..623T. doi :10.1086/151823. ISSN  0004-637X.
5. Goldreich, P.; Tremaine, S. (1979-11-01). "Возбуждение волн плотности при резонансах Линдблада и коротации внешним потенциалом" (PDF) . The Astrophysical Journal . 233 : 857–871. Bibcode :1979ApJ...233..857G. doi :10.1086/157448. ISSN  0004-637X.
6. Livio, Mario (2003) [2002]. Золотое сечение: История Фи, самого удивительного числа в мире (первое коммерческое издание в мягкой обложке). Нью-Йорк: Broadway Books . стр. 121–2. ISBN 0-7679-0816-3.
7. Кэрролл, Брэдли У.; Дейл А. Остли (2007). Введение в современную астрофизику . Эддисон Уэсли. стр. 967. ISBN 978-0-201-54730-6.
8. Филлипс, Стивен (2005). Структура и эволюция галактик . Wiley. стр. 132–3. ISBN 0-470-85506-1.
9. Голдрайх, Питер ; Тремейн, Скотт (май 1978). «Формирование деления Кассини в кольцах Сатурна». Icarus . 34 (2). Elsevier Science : 240–253. Bibcode : 1978Icar...34..240G. doi : 10.1016/0019-1035(78)90165-3.
10. Голдрайх, Питер ; Тремейн, Скотт (сентябрь 1982 г.). «Динамика планетарных колец». Annu. Rev. Astron. Astrophys . 20 (1). Annual Reviews : 249–283. Bibcode : 1982ARA&A..20..249G. doi : 10.1146/annurev.aa.20.090182.001341.
11. Shu, Frank H. (1984). "Волны в планетарных кольцах". В Greenberg, R.; Brahic, A. (ред.). Планетарные кольца . Tucson: University of Arizona Press . стр. 513–561. Bibcode : 1984prin.conf.....G.
12. Tiscareno, MS; Burns, JA; Nicholson, PD; Hedman, MM; Porco, CC (июль 2007 г.). «Cassini imaging of Saturn's rings II. A wavelet techniques for analysis of density waves and other radiative structure in the rings». Icarus . 189 (1): 14–34. arXiv : astro-ph/0610242 . Bibcode :2007Icar..189...14T. doi :10.1016/j.icarus.2006.12.025. S2CID  2277872.
13. Tiscareno, MS; Nicholson, PD; Burns, JA; Hedman, MM; Porco, CC (2006-11-01). «Раскрытие временной изменчивости спиральных волн плотности Сатурна: результаты и прогнозы». Astrophysical Journal . 651 (1). Американское астрономическое общество : L65–L68. arXiv : astro-ph/0609242 . Bibcode : 2006ApJ...651L..65T. doi : 10.1086/509120. S2CID  61586.

Внешние источники

• Бертин, Джузеппе. 2000. Динамика галактик. Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
• Бертин, Г. и К. К. Лин. 1996. Спиральная структура в галактиках: теория волн плотности. Кембридж: MIT Press.
• CC Lin, Yuan, C. и FH Shu, «О спиральной структуре дисковых галактик III. Сравнение с наблюдениями», Ap.J. 155, 721 (1969). (SCI)
• Юань, Ч., «Применение теории волн плотности к спиральной структуре системы Млечного Пути I. Систематическое движение нейтрального водорода», Ap.J., 158, 871 (1969). (SCI)

Внешние ссылки

• Britannica.com: Теория волн плотности (галактическая структура)
• Интернет-энциклопедия науки: Волна плотности
• UOttawa FactGuru: Теория волн плотности