Плотность волновая теория

редактировать

Изображение спиральной галактики M81, объединяющее данные с Хаббла, Космические телескопы Spitzer и GALEX.

Теория волн плотности или теория волн плотности Линь-Шу - теория, предложенная CC Линь и Фрэнк Шу в середине 1960-х, чтобы объяснить структуру спиральных рукавов спиральных галактик. Теория Линь – Шу вводит идею долгоживущей квазистатической спиральной структуры (гипотеза QSSS). В этой гипотезе спиральный узор вращается с определенной угловой частотой (скоростью узора), тогда как звезды в галактическом диске вращаются с разной скоростью в зависимости от их расстояния до центр галактики. Присутствие спиральных волн плотности в галактиках имеет значение для звездообразования, поскольку газ, вращающийся вокруг галактики, может сжиматься и периодически образовывать ударные волны. Теоретически формирование глобального спирального узора рассматривается как нестабильность звездного диска, вызванная самогравитацией, в отличие от приливных взаимодействий. Математическая формулировка теории также была распространена на другие астрофизические дисковые системы, такие как кольца Сатурна.

Содержание

1 Галактические спиральные рукава
2 Дальнейшие выводы
3 Применение к кольцам Сатурна
4 См. Также
5 Ссылки
6 Внешние источники
7 Внешние ссылки

Галактические спиральные рукава

Объяснение спиральных рукавов галактик.

Воспроизвести медиа Моделирование галактики с простой образец спирального рукава. Хотя спиральные рукава не вращаются, галактика вращается. Если вы внимательно посмотрите, то увидите, как звезды движутся в спиральные рукава и выходят из них с течением времени.

Первоначально у астрономов была идея, что рукава спиральной галактики были материальными. 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. Эти рукава станут неотличимы от остальной части галактики всего за несколько витков. Это называется проблемой наматывания.

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

Более конкретно, теория волн плотности утверждает, что «гравитационное притяжение между звездами на разных радиусах» предотвращает так называемую проблему наматывания и фактически поддерживает спиральный узор.

Скорость вращения руки определены как $Ω gp {\ displaystyle \ Omega _ {gp}}$ $\ Omega _ {{gp}}$ , глобальная скорость шаблона. (Таким образом, в некоторой неинерциальной системе отсчета, которая вращается на $Ω gp {\ displaystyle \ Omega _ {gp}}$ $\ Omega _ {{gp}}$ , спиральные рукава кажутся в состоянии покоя). Звезды в рукавах не обязательно неподвижны, хотя на определенном расстоянии от центра, $R c {\ displaystyle R_ {c}}$ $R _ {{c}}$ , радиус коротации, звезды и волны плотности движутся все вместе. Внутри этого радиуса звезды движутся быстрее ( $Ω>Ω gp {\ displaystyle \ Omega>\ Omega _ {gp}}$ $\Omega>\ Omega _ {{gp}}$ ), чем спиральные рукава, а снаружи звезды движутся медленнее ( $Ω < Ω g p {\displaystyle \Omega <\Omega _{gp}}$ $\ Omega <\ Omega _ {{gp}}$ ). Для спирали с m-рукавами звезда радиусом R от центра будет перемещаться через структуру с частотой $м (Ω gp - Ω (R)) {\ displaystyle m (\ Omega _ {gp} - \ Omega (R))}$ $m (\ Omega _ {{gp}} - \ Omega (R))$ . 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, $κ (R) {\ displaystyle \ kappa (R)}$ $\ kappa (R)$ звезды. Это означает, что долгоживущая спиральная структура будет существовать только между внутренним и внешним Линдбладом. резонанс (ILR, OLR соответственно), которые определяются как такие радиусы, что: $Ω (R) = Ω gp + κ / m {\ displaystyle \ Омега (R) = \ Omega _ {gp} + \ kappa / m}$ $\ Omega (R) = \ Omega _ {{gp}} + \ kappa / m$ и $Ω (R) = Ω gp - κ / m {\ displaystyle \ Omega (R) = \ Omega _ {gp} - \ kappa / m}$ $\ Omega (R) = \ Omega _ {{gp}} - \ kappa / m$ соответственно. За пределами OLR и внутри ILR дополнительная плотность в спиральных рукавах вытягивается чаще, чем эпициклическая скорость звезд, и звезды, таким образом, не могут реагировать и двигаться таким образом, чтобы «усилить усиление спиральной плотности».

Воспроизвести мультимедиа
Анимация 1: Если спиральные рукава были жесткими массами, галактика должна вращаться как целое вокруг своего центра, чтобы сохранить свою спиральную структуру. Согласно наблюдениям Линдблада и законам физики, это не так.
Воспроизвести мультимедиа
Анимация 2: Дифференциальное вращение, наблюдаемое Линдбладом, растворило бы спиральные рукава за короткий период времени, если бы они состояли из фиксированных массовых концентраций.
Воспроизвести мультимедиа
Анимация 3: Орбиты, предсказанные теорией волн плотности, допускают существование стабильных спиральных рукавов. Звезды движутся в спиральные рукава и выходят из них, когда они вращаются вокруг галактики.

Дальнейшие выводы

Спиральные волны плотности в Кольце Сатурна, вызванные резонансами с ближайшими лунами.

Теория волн плотности также объясняет ряд других наблюдений которые были сделаны о спиральных галактиках. Например, «упорядочение облаков HI и пылевых полос на внутренних краях спиральных рукавов, существование молодых массивных звезд и областей H II во всех рукавах, а также большое количество старых красных звезд в остальной части диска ".

Когда облака газа и пыли входят в волну плотности и сжимаются, скорость звездообразования увеличивается по мере встречи некоторых облаков критерий Джинса и коллапсирует, образуя новые звезды. Поскольку звездообразование происходит не сразу, 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 короткое время жизни и умирают, прежде чем полностью покинут 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.

Применение к кольцам Сатурна

Начиная с конца 1970-х, Питер Голдрайх, Франк Шу и другие применили теорию волн плотности к кольцам Сатурна. Кольца Сатурна (особенно кольцо A ) содержат огромное количество спиральных волн плотности и спиральных изгибных волн, возбуждаемых резонансами Линдблада и вертикальными резонансами (соответственно) с лунами 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. Миссия Кассини обнаружила очень маленькие волны плотности, возбужденные лунами-кольцами Пан и Атлас и резонансами высокого порядка с более крупными лунами, а также волнами. форма которой меняется со временем из-за изменения орбит Януса и Эпиметея.

См. также

Ссылки

Внешние источники

Бертин, Джузеппе. 2000. Динамика галактик. Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
Бертин, Г. и К.С. Лин. 1996. Спиральная структура в галактиках: теория волн плотности. Кембридж: MIT Press.
C.C. Линь, Юань, К., и Ф.Х. Шу, «О спиральной структуре галактик Диск i III. Сравнение с наблюдениями», Ap.J. 155, 721 (1969). (SCI)
Юань, К., «Применение теории волн плотности к спиральной структуре системы Млечного пути I. Систематическое движение нейтрального водорода», Ап.Дж., 158, 871 (1969). (SCI)

Внешние ссылки

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