Теория волн плотности

---

Тео́рия во́лн пло́тности (теория Линя и Шу волн плотности) — теория, предложенная Цзяцяо Линем и Фрэнком Шу в середине 1960-х гг. для объяснения спиральной структуры спиральных галактик. Она основана на идее о долгоживущих квазистационарных волнах плотности^[1], представляющих собой участки диска галактики, обладающие повышенной плотностью (на 10-20 % большей)^[2]. Эта теория также была успешно применена к системе колец Сатурна.

Первоначально астрономами рассматривалась идея о том, что спиральные рукава материальны по своей природе. Если бы это предположение было верным, то спиральные рукава становились бы со временем всё более туго закрученными, поскольку вещество вблизи центра галактики вращается быстрее, чем вещество на краю галактики. Спустя лишь несколько оборотов рукава стали бы неотличимыми от остального диска^[2].

Линь и Шу в 1964 предположили, что спиральные рукава не являются материальными образованиями, но представляют собой области повышенной плотности, напоминающие по сути идеи затор на дороге^[3]; машины двигаются сквозь подобный затор: в середине его плотность машин возрастает, причем сам затор практически не сдвигается по дороге по сравнению с движением машин. В галактике звёзды, газ, пыль и другие компоненты двигаются сквозь волны плотности, подвергаются сжатию и покидают волну.

Обозначим через ${\displaystyle \Omega _{gp}}$ скорость вращения спиральных рукавов (следовательно, в неинерциальной системе отсчёта, вращающейся с угловой скоростью ${\displaystyle \Omega _{gp}}$, спиральные рукава будут неподвижными). Звёзды не всегда находятся стационарно внутри рукавов, но вблизи определённого расстояния от центра галактики — радиуса коротации ${\displaystyle R_{c}}$ — звёзды и спиральные рукава двигаются с одинаковыми скоростями. Внутри радиуса коротации звёзды двигаются быстрее спиральных рукавов (${\displaystyle \Omega >\Omega _{gp}}$), вне радиуса коротации звёзды двигаются медленнее спирального узора (${\displaystyle \Omega <\Omega _{gp}}$).^[2] Можно заметить, что в случае спирального узора, состоящего из m ветвей, звезда на галактоцентрическом расстоянии R будет двигаться сквозь спиральную структуру с частотой ${\displaystyle m(\Omega _{gp}-\Omega (R))}$. Следовательно, гравитационное взаимодействие между звёздами может поддерживать спиральную структуру в случае, если частота, с которой звезда проходит через спиральные рукава, не превосходит эпициклическую частоту ${\displaystyle \kappa (R)}$ звезды. Это означает, что существующая длительное время спиральная структура может существовать только между внутренним и внешним резонансами Линдблада, радиусы которых определяются из равенств ${\displaystyle \Omega (R)=\Omega _{gp}+\kappa /m}$ и ${\displaystyle \Omega (R)=\Omega _{gp}-\kappa /m}$^[4].

---