Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Изображение спиральной галактики M81, полученное с помощью космических телескопов Hubble , Spitzer и GALEX .

Теория волн плотности или теория волн плотности Линь-Шу - это теория, предложенная К.С. Лином и Фрэнком Шу в середине 1960-х годов для объяснения структуры спиральных рукавов спиральных галактик . [1] [2] Теория Линь – Шу вводит идею долгоживущей квазистатической спиральной структуры (гипотеза QSSS). [1] Согласно 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 центра галактики.. Присутствие спиральных волн плотности в галактиках имеет значение для звездообразования , поскольку газ, вращающийся вокруг галактики, может сжиматься и периодически образовывать ударные волны. [3] Теоретически формирование глобального спирального узора рассматривается как нестабильность звездного диска, вызванная самогравитацией , в отличие от приливных взаимодействий . [4] Математическая формулировка теории также была распространена на другие астрофизические дисковые системы [5], такие как кольца Сатурна .

Галактические спиральные рукава [ править ]

Объяснение спиральных рукавов галактик.
Моделирование Галактики с помощью простого спирального рукава. Хотя спиральные рукава не вращаются, галактика вращается. Если вы посмотрите внимательно, вы увидите, как звезды с течением времени движутся в спиральные рукава и выходят из них.

Первоначально у астрономов была идея, что рукава спиральной галактики материальны. Однако, если бы это было так, то руки стали бы скручиваться все плотнее, поскольку материя ближе к центру галактики вращается быстрее, чем материя на краю галактики. [6] Руки станут неотличимы от остальной части галактики всего за несколько витков. Это называется проблемой намотки. [7]

В 1964 году Линь и Шу предположили, что рукава не являются материальными по своей природе, а вместо этого состоят из участков большей плотности, похожих на пробку на шоссе. Машины движутся по пробке: в ее центре плотность машин увеличивается. Однако сама пробка движется медленнее. [1] В галактике звезды, газ, пыль и другие компоненты движутся сквозь волны плотности, сжимаются, а 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. [8]

Скорость вращения рычагов определяется как общая скорость шаблона. (Таким образом, в некой неинерциальной системе отсчета , которая вращается в точке , спиральные рукава кажутся неподвижными). Звезды в рукавах не обязательно неподвижны, хотя на определенном расстоянии от центра , радиуса коротации, звезды и волны плотности движутся вместе. Внутри этого радиуса звезды движутся быстрее ( ), чем спиральные рукава, а снаружи звезды движутся медленнее ( ). [7] Для спирали с m- плечом, звезда радиусом R от центра будет двигаться через структуру с частотой. Таким образом, гравитационное притяжение между звездами может только поддерживать спиральную структуру , если частота , при которой звезда проходит через руку меньше планетарные частоты , , звезд. Это означает, что долгоживущая спиральная структура будет существовать только между внутренним и внешним резонансом Линдблада (ILR, OLR, соответственно), которые определяются как такие радиусы, что: и , соответственно. За пределами OLR и внутри ILR дополнительная плотность в спиральных рукавах растягивается чаще, чем эпициклическая скорость звезд, и звезды, таким образом, не могут реагировать и двигаться таким образом, чтобы «усилить усиление спиральной плотности». [8]

  • Воспроизвести медиа

    Анимация 1: Если спиральные рукава представляют собой твердую концентрацию массы, галактика должна вращаться как единое целое вокруг своего центра, чтобы сохранить свою спиральную структуру. Согласно наблюдениям Линдблада и законам физики, это не так.

  • Воспроизвести медиа

    Анимация 2: Дифференциальное вращение, наблюдаемое Линдбладом, растворило бы спиральные рукава за короткий период времени, если бы они состояли из фиксированных массовых концентраций.

  • Воспроизвести медиа

    Анимация 3: Орбиты, предсказанные теорией волн плотности, допускают существование стабильных спиральных рукавов. Звезды перемещаются в спиральные рукава и выходят из них, когда они вращаются вокруг галактики.

Дальнейшие последствия [ править ]

Спиральные волны плотности в кольце А Сатурна, вызванные резонансами с близлежащими лунами .

Теория волн плотности также объясняет ряд других наблюдений, сделанных в отношении спиральных галактик. Например, «упорядочение облаков HI и пылевых полос на внутренних краях спиральных рукавов, наличие молодых массивных звезд и областей H II во всех рукавах и обилие старых красных звезд в остальной части диска» . [7]

Когда облака газа и пыли входят в волну плотности и сжимаются, скорость звездообразования увеличивается, поскольку некоторые облака удовлетворяют критерию Джинса и схлопываются, образуя новые звезды. Поскольку звездообразование происходит не сразу, звезды немного отстают от волн плотности. Образовавшиеся горячие OB-звезды ионизируют газ межзвездной среды и образуют области H II. Однако у этих звезд относительно короткое время жизни, и они умирают, прежде чем полностью покинуть волну плотности. Более мелкие и красные звезды действительно покидают волну и распределяются по галактическому диску.

Волны плотности также описываются как повышающие давление газовые облака и тем самым катализирующие звездообразование. [6]

Применение к кольцам Сатурна [ править ]

Начиная с конца 1970-х годов Питер Голдрайх , Франк Шу и другие применили теорию волн плотности к кольцам Сатурна. [9] [10] [11] 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. [11] Кассини миссиивыявили волны очень малой плотности, возбуждаемые кольцевыми лунами Пан и Атлас и резонансами высокого порядка с более крупными лунами [12], а также волны, форма которых изменяется со временем из-за изменяющихся орбит Януса и Эпиметея . [13]

См. Также [ править ]

  • Спиральная галактика с перемычкой
  • Темная материя
  • Галактика
  • Магелланова спиральная галактика
  • Спиральная галактика
  • Самораспространяющееся звездообразование

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в Лин, СС; Шу, FH (1964). «О спиральной структуре дисковых галактик». Астрофизический журнал . 140 : 646–655. Bibcode : 1964ApJ ... 140..646L . DOI : 10.1086 / 147955 .
  2. ^ Шу, Frank H. (2016-09-19). «Шесть десятилетий теории волн спиральной плотности». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 54 (1): 667–724. Bibcode : 2016ARA & A..54..667S . DOI : 10.1146 / annurev-astro-081915-023426 . ISSN 0066-4146 . 
  3. ^ Робертс, WW (1969-10-01). «Крупномасштабное ударное образование в спиральных галактиках и его влияние на звездообразование». Астрофизический журнал . 158 : 123. Bibcode : 1969ApJ ... 158..123R . DOI : 10.1086 / 150177 . ISSN 0004-637X . 
  4. ^ Тоомре, Алар; Тоомре, Юри (1972-12-01). «Галактические мосты и хвосты». Астрофизический журнал . 178 : 623–666. Bibcode : 1972ApJ ... 178..623T . DOI : 10.1086 / 151823 . ISSN 0004-637X . 
  5. ^ Goldreich, P .; Тремейн, С. (1979-11-01). «Возбуждение волн плотности на резонансах Линдблада и коротации внешним потенциалом» (PDF) . Астрофизический журнал . 233 : 857–871. Bibcode : 1979ApJ ... 233..857G . DOI : 10.1086 / 157448 . ISSN 0004-637X .  
  6. ^ a b Ливио, Марио (2003) [2002]. Золотое сечение: История Фи, самого удивительного числа в мире (первое издание в мягкой обложке). Нью-Йорк: Бродвейские книги . С. 121–2. ISBN 0-7679-0816-3.
  7. ^ a b c Кэрролл, Брэдли В .; Дейл А. Остли (2007). Введение в современную астрофизику . Эддисон Уэсли. п. 967. ISBN 978-0-201-54730-6.
  8. ^ a b Филлиппс, Стивен (2005). Структура и эволюция галактик . Вайли. С. 132–3. ISBN 0-470-85506-1.
  9. ^ Голдрайх, Питер ; Тремейн, Скотт (май 1978 г.). «Формирование деления Кассини в кольцах Сатурна». Икар . Elsevier Science . 34 (2): 240–253. Bibcode : 1978Icar ... 34..240G . DOI : 10.1016 / 0019-1035 (78) 90165-3 .
  10. ^ Голдрайх, Питер ; Тремейн, Скотт (сентябрь 1982 г.). «Динамика планетных колец». Анну. Rev. Astron. Astrophys . Ежегодные обзоры . 20 (1): 249–283. Bibcode : 1982ARA & A..20..249G . DOI : 10.1146 / annurev.aa.20.090182.001341 .
  11. ^ a b Шу, Фрэнк Х. (1984). «Волны в планетных кольцах». В Greenberg, R .; Брахич, А. (ред.). Планетарные кольца . Тусон: Университет Аризоны Press . С. 513–561. Bibcode : 1984prin.conf ..... G .
  12. ^ Tiscareno, MS; Бернс, JA; Николсон, PD; Хедман, ММ; Порко, CC (июль 2007 г.). "Кассини изображения колец Сатурна II. Вейвлет-метод для анализа волн плотности и других радиальных структур в кольцах". Икар . 189 (1): 14–34. arXiv : astro-ph / 0610242 . Bibcode : 2007Icar..189 ... 14T . DOI : 10.1016 / j.icarus.2006.12.025 . S2CID 2277872 . 
  13. ^ Tiscareno, MS; Николсон, PD; Бернс, JA; Хедман, ММ; Порко, CC (01.11.2006). «Раскрытие временной изменчивости в спиральных волнах плотности Сатурна: результаты и прогнозы». Астрофизический журнал . Американское астрономическое общество . 651 (1): L65 – L68. arXiv : astro-ph / 0609242 . Bibcode : 2006ApJ ... 651L..65T . DOI : 10.1086 / 509120 . S2CID 61586 . 

Внешние источники [ править ]

  • Бертин, Джузеппе. 2000. Динамика галактик. Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
  • Bertin, G. и CC Lin. 1996. Спиральная структура в галактиках: теория волн плотности. Кембридж: MIT Press.
  • CC Lin, Yuan, C., и FH Shu, "О спиральной структуре галактик Disk 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" , Ap.J., 158, 871 (1969). (SCI)

Внешние ссылки [ править ]

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