Теория волн плотности - Density wave theory

Изображение спиральная галактика M81 объединение данных из Хаббл, Spitzer, и GALEX космические телескопы.

Теория волн плотности или Теория волн плотности Линь-Шу теория, предложенная C.C. Линь и Франк Шу в середине 1960-х годов для объяснения структуры спирального рукава спиральные галактики.[1][2] Теория Линь-Шу вводит идею долгоживущих квазистатический спиральная структура (гипотеза QSSS).[1] Согласно этой гипотезе спиральный узор вращается с определенной угловой частотой (скоростью узора), в то время как звезды в галактический диск находятся на орбите разная скорость в зависимости от их расстояния до центр галактики. Присутствие спиральных волн плотности в галактиках влияет на звездообразование, поскольку газ, вращающийся вокруг галактики, может сжиматься и периодически образовывать ударные волны.[3] Теоретически формирование глобального спирального узора рассматривается как нестабильность звездного диска, вызванного самогравитация, в отличие от приливные взаимодействия.[4] Математическая формулировка теории была также распространена на другие астрофизические дисковые системы,[5] такие как Кольца Сатурна.

Галактические спиральные рукава

Объяснение спиральных рукавов галактик.
Моделирование Галактики с помощью простого спирального рукава. Хотя спиральные рукава не вращаются, галактика вращается. Если вы посмотрите внимательно, то увидите, как звезды с течением времени движутся в спиральные рукава и выходят из них.

Первоначально у астрономов была идея, что рукава спиральной галактики материальны. Однако, если бы это было так, то рукава становились бы все более и более плотно закрученными, поскольку материя ближе к центру галактики вращается быстрее, чем материя на краю галактики.[6] Эти рукава станут неотличимы от остальной части галактики всего за несколько витков. Это называется проблемой намотки.[7]

В 1964 году Линь и Шу предположили, что руки не являются материальными по своей природе, а вместо этого состоят из областей большей плотности, подобных пробка на шоссе. Машины движутся по пробке: в ее центре плотность машин увеличивается. Однако сама пробка движется медленнее.[1] В галактике звезды, газ, пыль и другие компоненты движутся сквозь волны плотности, сжимаются и затем выходят из них.

В частности, теория волн плотности утверждает, что «гравитационное притяжение между звездами на разных радиусах» предотвращает так называемую проблему намотки и фактически поддерживает спиральный узор.[8]

Скорость вращения рычагов определяется как , глобальная скорость шаблона. (Таким образом, в пределах определенного неинерциальная система отсчета, который вращается на , спиральные рукава кажутся покоящимися). Звезды в пределах руки не обязательно должны быть неподвижными, хотя на определенном расстоянии от центра, , радиус коротации, звезды и волны плотности движутся вместе. Внутри этого радиуса звезды движутся быстрее (), чем спиральные рукава, а снаружи звезды движутся медленнее ().[7] Для м-вооруженная спираль, звезда в радиусе р от центра будет перемещаться по конструкции 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, чем эпициклическая частота, , звезды. Это означает, что долгоживущая спиральная структура будет существовать только между внутренним и внешним. Линдблад резонанс (ILR, OLR соответственно), которые определяются как такие радиусы, что: и соответственно. За пределами OLR и внутри ILR дополнительная плотность в спиральных рукавах растягивается чаще, чем эпициклическая скорость звезд, и звезды, таким образом, не могут реагировать и двигаться таким образом, чтобы «усилить усиление спиральной плотности».[8]

  • Анимация 1: Если бы спиральные рукава были жесткими массами, галактика должна вращаться как единое целое вокруг своего центра, чтобы сохранить свою спиральную структуру. Согласно наблюдениям Линдблада и законам физики, это не так.

  • Анимация 2: Дифференциальное вращение, наблюдаемое Линдбладом, растворило бы спиральные рукава за короткий период времени, если бы они состояли из фиксированных массовых концентраций.

  • Анимация 3: Орбиты, предсказываемые теорией волн плотности, допускают существование стабильных спиральных рукавов. Звезды движутся в спиральные рукава и выходят из них, когда они вращаются вокруг галактики.

Дальнейшие последствия

Спиральные волны плотности в Сатурне Кольцо индуцированный резонансы с рядом луны.

Теория волн плотности также объясняет ряд других наблюдений, сделанных в отношении спиральных галактик. Например, «заказ H я облака и пылевые полосы на внутренних краях спиральных рукавов, существование молодых массивных звезд и H II регионы в рукавах и множество старых красных звезд на остальной части диска ".[7]

Когда облака газа и пыль входят в волну плотности и сжимаются, скорость звездообразования увеличивается по мере того, как некоторые облака встречаются с Критерий джинсов, и коллапсирует, образуя новые звезды. Поскольку звездообразование происходит не сразу, звезды немного отстают от волн плотности. Горячий OB звезды которые создаются ионизируют газ межзвездная среда, и образуют области H II. Однако у этих звезд относительно короткое время жизни, и они умирают, прежде чем полностью покинуть волну плотности. Более мелкие и красные звезды покидают волну и распределяются по галактическому диску.

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

Приложение к кольцам Сатурна

Начиная с конца 1970-х гг., Питер Гольдрайх, Франк Шу и другие применили теорию волн плотности к кольцам Сатурна.[9][10][11] Кольца Сатурна (особенно Кольцо ) содержат очень много спиральных волн плотности и спиральных изгибных волн, возбуждаемых Линдбладские резонансы и вертикальные резонансы (соответственно) с Спутники Сатурна. Физика во многом такая же, как у галактик, хотя спиральные волны в кольцах Сатурна гораздо более плотно намотаны (простираются максимум на несколько сотен километров) из-за очень большой центральной массы (самого Сатурна) по сравнению с массой диска.[11] В Кассини миссия обнаружил очень маленькие волны плотности, возбуждаемые кольцевыми лунами. Сковорода и Атлас и резонансами высокого порядка с более крупными лунами,[12] а также волны, форма которых меняется со временем из-за меняющихся орбит Янус и Эпиметей.[13]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c Lin, C.C .; Шу, Ф.Х. (1964). «О спиральной структуре дисковых галактик». Астрофизический журнал. 140: 646–655. Bibcode:1964ApJ ... 140..646L. Дои:10.1086/147955.
  2. ^ Шу, Фрэнк Х. (19 сентября 2016 г.). «Шесть десятилетий теории волн спиральной плотности». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики. 54 (1): 667–724. Bibcode:2016ARA & A..54..667S. Дои:10.1146 / annurev-astro-081915-023426. ISSN  0066-4146.
  3. ^ Робертс, У. У. (1969-10-01). «Формирование крупномасштабных ударных волн в спиральных галактиках и их влияние на звездообразование». Астрофизический журнал. 158: 123. Bibcode:1969ApJ ... 158..123R. Дои:10.1086/150177. ISSN  0004-637X.
  4. ^ Тоомре, Алар; Тоомре, Юри (1972-12-01). «Галактические мосты и хвосты». Астрофизический журнал. 178: 623–666. Bibcode:1972ApJ ... 178..623T. Дои:10.1086/151823. ISSN  0004-637X.
  5. ^ Goldreich, P .; Тремейн, С. (1979-11-01). «Возбуждение волн плотности на резонансах Линдблада и коротации внешним потенциалом» (PDF). Астрофизический журнал. 233: 857–871. Bibcode:1979ApJ ... 233..857G. Дои:10.1086/157448. ISSN  0004-637X.
  6. ^ а б Ливио, Марио (2003) [2002]. Золотое сечение: история Фи, самого удивительного числа в мире (Первая торговая книга в мягкой обложке, ред.). Нью-Йорк: Бродвей Книги. С. 121–2. ISBN  0-7679-0816-3.
  7. ^ а б c Кэрролл, Брэдли У .; Дейл А. Остли (2007). Введение в современную астрофизику. Эддисон Уэсли. п. 967. ISBN  978-0-201-54730-6.
  8. ^ а б Филлиппс, Стивен (2005). Структура и эволюция галактик. Вайли. С. 132–3. ISBN  0-470-85506-1.
  9. ^ Гольдрайх, Питер; Тремейн, Скотт (Май 1978 г.). «Формирование деления Кассини в кольцах Сатурна». Икар. Elsevier Science. 34 (2): 240–253. Bibcode:1978Icar ... 34..240G. Дои:10.1016/0019-1035(78)90165-3.
  10. ^ Гольдрайх, Питер; Тремейн, Скотт (Сентябрь 1982 г.). «Динамика планетарных колец». Анну. Rev. Astron. Астрофизики. Ежегодные обзоры. 20 (1): 249–283. Bibcode:1982ARA & A..20..249G. Дои:10.1146 / annurev.aa.20.090182.001341.
  11. ^ а б Шу, Фрэнк Х. (1984). «Волны в планетных кольцах». В Greenberg, R .; Брахич, А. (ред.). Планетарные кольца. Тусон: Университет Аризоны Press. С. 513–561. Bibcode:1984prin.conf ..... G.
  12. ^ Тискарено, M.S .; Burns, J.A .; Николсон, П.Д .; Hedman, M.M .; Porco, C.C. (Июль 2007 г.). "Кассини изображения колец Сатурна II. Вейвлет-метод для анализа волн плотности и других радиальных структур в кольцах". Икар. 189 (1): 14–34. arXiv:astro-ph / 0610242. Bibcode:2007Icar..189 ... 14T. Дои:10.1016 / j.icarus.2006.12.025.
  13. ^ Тискарено, M.S .; Николсон, П.Д .; Burns, J.A .; Hedman, M.M .; Porco, C.C. (2006-11-01). «Раскрытие временной изменчивости в спиральных волнах плотности Сатурна: результаты и прогнозы». Астрофизический журнал. Американское астрономическое общество. 651 (1): L65 – L68. arXiv:Astro-ph / 0609242. Bibcode:2006ApJ ... 651L..65T. Дои:10.1086/509120.

Внешние источники

внешние ссылки