Что заставляет наше Солнце колебаться вокруг своей средней галактической орбиты?

Это старая добрая ньютоновская гравитация! Плоскость галактики можно представить как диск, состоящий из звезд и газа, с плотностью$\rho(|z|)$, который уменьшается с абсолютным расстоянием$|z|$с самолета.

Если бы вы предположили, что Солнце было достаточно близко к$z=0$и что радиальное изменение в$\rho$было достаточно незначительным, чтобы рассматривать диск как бесконечную плоскость (это неплохо, амплитуда движения Солнца составляет всего около 10% длины радиальной шкалы плотности диска), тогда вы могли бы построить небольшой цилиндр через плоскость, с одним лицом на$z=0$, куда$g=0$, и используйте закон Гаусса для гравитации , чтобы оценить ускорение свободного падения на высоте$z$.

В настоящее время$\rho(z)$приближается к экспоненциально затухающей функции с высотой шкалы, возможно, 200-300 пк. Если мы ближе к$z=0$чем это, то можно грубо сказать, что плотность является постоянной$\rho_0$. Подставляя это в уравнение выше, мы видим, что

Плотность диска вблизи Солнца оценивается в 0,076 массы Солнца на кубический парсек ( Крез и др., 1998 ). Используя это значение, мы получаем приблизительный предсказанный период колебаний вверх и вниз по плоскости диска в 95 миллионов лет.

Добавлено примечание: Предыдущий абзац является обратным тому, что делается на самом деле - динамика звезд в окрестностях Солнца используется для оценки плотности в плоскости. Однако простой подсчет звезд и оценка вклада газа дает аналогичный результат — и в процессе показывает, что вклад темной материи в плотность диска очень мал.

Плоскость, к которой примыкают Солнце и большая часть Млечного Пути, не является ни плоскостью, ни диском: это плотный, заполненный материей участок с ненулевой шириной. Это означает, что этот «диск» также генерирует гравитационный потенциал, который захватывает Солнце. В некотором смысле мы можем сказать, что Солнце имеет свою галактическую орбиту с центром как в галактическом центре, так и его плоские колебания с центром в галактическом «диске». Если бы этот аппроксимированный диск имел постоянную плотность и Солнце никогда не возмущалось в неплоских направлениях, то орбита действительно была бы ограничена плоскостью; но материя внутри галактики расположена неравномерно, и эта анизотропия обеспечивает неплоскостное возмущение, необходимое для создания гармонического движения вокруг галактической плоскости не только для нашего Солнца, но (по крайней мере, теоретически) для всех небесных тел.

Я чувствую, что существующие ответы делают объяснение слишком сложным, поэтому я добавлю простое объяснение.

Представьте, что вы «бросаете» новую звезду в галактику, стремясь к тому, чтобы ее орбита была примерно (но НЕ точно) вдоль галактической плоскости. Ожидаете ли вы, что орбита волшебным образом зафиксируется в галактической плоскости? Конечно нет, это нарушило бы закон сохранения импульса. Вы ожидаете, что это будет вечно продолжаться в своем собственном плане? Конечно, нет — это ожидается только для сферической массы, а галактика не является сферической массой. Ближайшие части галактики к звезде будут притягивать к себе и звезду, и, следовательно, вы получите колебание.