Почему не все вращающиеся галактики имеют форму дисков, как предполагал мой юный ум? Я понимаю, почему самые внутренние части галактики вращаются быстрее, чем внешние части, и это может объяснить, почему некоторые галактики более спиральны, чем другие, в зависимости от возраста. Хотя это не объясняет, как вообще появилось оружие. Может ли это иметь какое-то отношение к несовершенному распределению массы и, следовательно, к несовершенному распределению силы тяжести, что приводит к расколу диска, из которого начинают действовать гравитация, центростремительная сила и инерция? Или что-то происходит раньше в жизни галактики?
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:
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):
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). Издание... оно довольно сложное, поэтому я не буду пытаться обрисовать его здесь).
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 для стабильности. Это дает:
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 :
куда – 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 (скорость звука), (дисперсия скоростей) и (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 , а сила давления пропорциональна (или же ). 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. .
пользователь10851
пользователь10851
Дэвид Болл
Кайл Оман