Как образуются спиральные рукава?

Существует несколько теорий о том, как они формируются, такие как волны плотности и стохастическое самораспространяющееся звездообразование (SSPSF).

Но вам интересно, как они начинаются. Текущие дебаты о рукавах имеют два основных момента: во-первых, считается, что рукава появляются и исчезают с течением времени, а во-вторых, широко распространенная теория состоит в том, что материал, из которого состоят рукава, — звезды, газ и пыль — подвержен влиянию различий в гравитации и гравитации. поддерживает руки в течение длительного времени.

Есть несколько выдающихся теорий, включая ту, которую вы предлагаете в своем вопросе:

• Начальная неосевая симметрия в диске и/или гало (т.е. процессы образования галактик/звезд)
• Столкновения с галактиками (экологические процессы)

К первой идее недавнее массовое компьютерное моделирование показало: «Используя моделирование N тел с высоким разрешением, мы следим за движением звезд под действием гравитации и показываем, что массовые концентрации со свойствами, подобными свойствам гигантских молекулярных облаков, могут вызывать развитие спиральных рукавов посредством процесса, называемого усилением колебания.Однако, в отличие от более ранней работы, мы демонстрируем, что конечная реакция диска может быть очень нелинейной, что значительно изменяет формирование и долговечность результирующих узоров.Вопреки ожиданиям, Таким образом, рваные спиральные структуры могут сохраняться, по крайней мере, в статистическом смысле, еще долго после того, как первоначальное возмущающее влияние было устранено». И у них есть несколько анимаций и примеров .

Здесь показан пример снимка эволюции их сложной модели.

Ко второй идее внешних воздействий вот пример симуляции , показывающий влияние соседней галактики, вызывающей дисбаланс, который запускает формирование рукава. Я думаю, что это довольно интуитивно понятно, и симуляция также демонстрирует механизм.

Из-за большого разнообразия галактических форм для спиральных галактик может быть комбинация этих эффектов или дополнительных процессов, которые сейчас не совсем понятны из-за нашего очень короткого времени наблюдения событий галактического масштаба.

Ответ пользователя6972 великолепен, но я решил добавить несколько более техническую сноску. Если математика для вас потеряна, перейдите к концу, где я даю простую физическую интерпретацию.

Дисперсионное соотношение для дифференциально вращающегося жидкостного диска (т. е. частота вращения изменяется с радиусом, в отличие от равномерно вращающегося диска):

$(\omega-m\Omega)^2 = \kappa^2-2\pi G\Sigma|k| + v_s^2k^2$

• $\omega$- угловая частота возмущающей волны
• $m$целое число$\geq 0$и описывает вращательную симметрию диска (поэтому$m=2$для барной конструкции, например)
• $\Omega$это частота вращения диска
• $\kappa$- эпициклическая частота возмущения
• $\Sigma$- поверхностная плотность диска (масса на единицу площади)
• $k$волновое число возмущения
• $v_s$скорость звука в жидкости

Это может показаться немного пугающим, но, как я покажу через минуту, у него есть хорошая простая физическая интерпретация.

Прежде всего, несколько слов о допущениях, которые входят в это соотношение дисперсии (полный вывод содержится в Galactic Dynamics 2 Бинни и Тремейна).$^\mathrm{nd}$Издание... оно довольно сложное, поэтому я не буду пытаться обрисовать его здесь).

• Диск аппроксимируется двумерным (бесконечно тонким).
• Возмущения диска небольшие.
• Приближение «тугой намотки» или приближение «короткой волны» - грубо говоря, вывод не работает, если спиральные рукава не закручены плотно. Фактически это аналогично ВКБ-приближению .
• Скорость звука$v_s$намного меньше скорости вращения$\Omega R$.

Итак, разумны ли эти приближения? При проверке типичных дисковых галактик оказывается, что они есть (пока мы не говорим о сталкивающихся галактиках или чем-то подобном, что привело бы к большим возмущениям). Кроме того, идея этого анализа состоит не в том, чтобы получить хороший четкий результат, показывающий теорию формирования спиральных рукавов, а в том, чтобы убедить себя в том, что диск естественно нестабилен при определенных условиях и «захочет» сформировать спиральные рукава (и получить представление о что приводит к нестабильности), и мы можем позже проверить, что они действительно формируются с помощью симуляций, подобных упомянутым пользователем6972.

Итак, с дисперсионным соотношением, основанным на некоторых разумных предположениях, мы можем провести обычный анализ устойчивости, требующий$\omega^2>0$для стабильности. Это дает:

$\mathrm{stable~if~}\dfrac{v_s\kappa}{\pi G\Sigma} > 1$

Анализ диска, состоящего из звезд, а не жидкого диска (на самом деле галактика — это диск, состоящий из смеси звезд и газа) очень похож, но с несколькими дополнительными кровавыми деталями... результат хороший, хотя :

$\mathrm{stable~if~}\dfrac{\sigma_R\kappa}{3.36G\Sigma}>1$

куда$\sigma_R$– дисперсия лучевых скоростей звезд в диске; это мера распределения лучевых скоростей, и ее можно рассматривать как скорость звука, в определенном смысле она несет информацию о том, как быстро звезды реагируют на перенос импульса. Это достаточно известный результат, называемый «критерием устойчивости Тумре».

Итак, теперь простая физическая интерпретация критериев стабильности. Во-первых, я должен отметить, что$v_s$(скорость звука),$\sigma_R$(дисперсия скоростей) и$\kappa$(эпициклическая частота) - все подобные величины; они описывают способность системы реагировать на возмущение. Если я ткну одну сторону в облако газа, другая сторона узнает об этом только через давление настолько быстро, насколько скорость звука (или дисперсия скорости/эпициклическая частота) может нести сообщение.

Теперь представьте, что у меня есть вращающийся газовый диск с хорошими гладкими свойствами, и я немного сжимаю небольшой кусочек газа (или группу звезд). Происходят две вещи: сжатый кусок газа будет «отталкиваться» наружу, так как я увеличил давление, но я также вызвал небольшое увеличение плотности, что вызовет дополнительную гравитационную силу. Оказывается, сила тяжести пропорциональна$G\Sigma$, а сила давления пропорциональна$v_s\kappa$(или же$\sigma_R\kappa$). Тот же аргумент применим и в обратном порядке, если я немного растяну газ/звезды — давление упадет, но сила гравитации тоже. Таким образом, интерпретация приведенных выше критериев стабильности заключается в том, что если, когда я немного сожму немного газа (или звезд), если увеличение давления будет достаточным, чтобы уравновесить увеличение гравитации, газ разожмется; он стабилен. С другой стороны, если гравитация побеждает давление, диск становится неустойчивым и локально схлопывается.

Итак, как это приводит к спиральным рукавам? Что ж, вы можете показать, что спирали являются естественной структурой, формирующейся при такого рода нестабильности, с параметрами типичной галактики (в зависимости от деталей возможна и перемычка). Тем не менее, это большая работа, и я не уверен, что это дает гораздо больше понимания - на данный момент, на мой взгляд, пришло время переключиться на симуляции и увидеть, что да, действительно, спирали, похоже, формируются из-за этой нестабильности. .