Теория волн плотности

Изображение спиральной галактики M81, объединенное с данными космических телескопов «Хаббл» , «Спитцер» и GALEX .

Теория волн плотности или теория волн плотности Линь-Шу — это теория, предложенная К.С. Линем 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] В этой гипотезе спиральный узор вращается с определенной угловой частотой (скоростью узора), тогда как звезды на орбите галактического диска вращаются с различными скоростями , которые зависят от их расстояния до центра галактики . Наличие спиральных волн плотности в галактиках имеет значение для звездообразования , поскольку газ, вращающийся вокруг галактики, может сжиматься и периодически вызывать ударные волны. ^[3] Теоретически образование глобального спирального узора трактуется как нестабильность звездного диска, вызванная самогравитацией , а не приливными взаимодействиями . ^[4] Математическая формулировка теории была также распространена на другие астрофизические дисковые системы. ^[5] например, кольца Сатурна .

Галактические спиральные рукава

Моделирование Галактики с простым узором спиральных рукавов. Хотя спиральные рукава не вращаются, галактика вращается. Если вы внимательно посмотрите, вы увидите, как звезды с течением времени входят и выходят из спиральных рукавов.

Первоначально астрономы считали, что рукава спиральной галактики материальны. Однако если бы это было так, то руки становились бы все более туго закрученными, поскольку материя ближе к центру галактики вращается быстрее, чем материя на краю галактики. ^[6] Рукава станут неотличимы от остальной части галактики всего через несколько витков. Это называется проблемой обмотки. ^[7]

В 1964 году Линь и Шу предположили, что рукава не материальны по своей природе, а состоят из участков большей плотности, похожих на пробку на шоссе. Машины движутся сквозь пробку: в ее середине плотность машин увеличивается. Однако сама пробка движется медленнее. ^[1] В галактике звезды, газ, пыль и другие компоненты движутся по волнам плотности, сжимаются, а затем выходят из них.

В частности, теория волн плотности утверждает, что «гравитационное притяжение между звездами разных радиусов» предотвращает так называемую проблему намотки и фактически поддерживает спиральный узор. ^[8]

Скорость вращения рычагов определяется как $\Omega _{gp}$ , глобальная скорость шаблона. (Таким образом, в некоторой неинерциальной системе отсчета , вращающейся со скоростью $\Omega _{gp}$ , спиральные рукава кажутся покоящимися). Звезды внутри рукавов не обязательно неподвижны, хотя и находятся на определенном расстоянии от центра. $R_{c}$ , радиус коротации, звезды и волны плотности движутся вместе. Внутри этого радиуса звезды движутся быстрее ( $\Omega >\Omega _{gp}$ ), чем спиральные рукава, а снаружи звезды движутся медленнее ( $\Omega <\Omega _{gp}$ ). ^[7] Для m -рукавной спирали звезда радиусом R от центра будет двигаться через структуру с частотой $m(\Omega _{gp}-\Omega (R))$ . Итак, гравитационное притяжение между звездами может поддерживать спиральную структуру только в том случае, если частота, с которой звезда проходит через рукава, меньше эпициклической частоты , $\kappa (R)$ , звезды. Это означает, что долгоживущая спиральная структура будет существовать только между внутренним и внешним резонансом Линдблада (ILR, OLR соответственно), которые определяются как такие радиусы, что: $\Omega (R)=\Omega _{gp}+\kappa /m$ и $\Omega (R)=\Omega _{gp}-\kappa /m$ , соответственно. За пределами OLR и внутри ILR дополнительная плотность в спиральных рукавах тянется чаще, чем эпициклическая скорость звезд, и, таким образом, звезды не могут реагировать и двигаться таким образом, чтобы «усилить повышение спиральной плотности». ^[8]

Duration: 22 seconds.
Анимация 1: Если бы спиральные рукава представляли собой твердые концентрации массы, галактика должна вращаться как единое целое вокруг своего центра, чтобы сохранить свою спиральную структуру. Согласно наблюдениям Линдблада и законам физики, это не так.
Duration: 21 seconds.
Анимация 2: Дифференциальное вращение, наблюдаемое Линдбладом, могло бы растворить спиральные рукава за короткий период времени, если бы они состояли из фиксированных концентраций массы.
Duration: 21 seconds.
Анимация 3: Орбиты, предсказанные теорией волн плотности, допускают существование стабильных спиральных рукавов. Звезды входят и выходят из спиральных рукавов, вращаясь вокруг галактики.

Дальнейшие последствия

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, существование молодых массивных звезд и областей H II по всем рукавам, а также 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 соответствуют критерию Джинса и разрушаются, образуя новые звезды. Поскольку звездообразование происходит не сразу, звезды немного отстают от волн плотности. горячие OB-звезды Возникающие ионизируют газ межзвездной среды и образуют области H II. Однако эти звезды имеют относительно короткий срок жизни и угасают, не успев полностью покинуть волну плотности. Меньшие и более красные звезды покидают волну и распределяются по галактическому диску.

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

Применение к кольцам Сатурна

Начиная с конца 1970-х годов Питер Голдрайх , Фрэнк Шу и другие применили теорию волн плотности к кольцам Сатурна. ^[9]^[10]^[11] Кольца Сатурна (особенно Кольцо А ) содержат очень много спиральных волн плотности и спиральных волн изгиба, возбуждаемых резонансами Линдблада и вертикальными резонансами (соответственно) со спутниками Сатурна . Физика во многом такая же, как и в галактиках, хотя спиральные волны в кольцах Сатурна закручены гораздо сильнее (растягиваясь максимум на несколько сотен километров) из-за очень большой центральной массы (самого Сатурна) по сравнению с массой диска. ^[11] Миссия Кассини обнаружила очень маленькие волны плотности , возбуждаемые кольцевыми спутниками Пан и Атлас, а также резонансами высокого порядка с более крупными спутниками. ^[12] а также волны, форма которых меняется со временем из-за изменения орбит Януса и Эпиметея . ^[13]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Лин, CC; Шу, FH (1964). «О спиральном строении дисковых галактик» . Астрофизический журнал . 140 : 646–655. Бибкод : 1964ApJ...140..646L . дои : 10.1086/147955 .
^ Шу, Фрэнк Х. (19 сентября 2016 г.). «Шесть десятилетий теории спиральных волн плотности» . Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 54 (1): 667–724. Бибкод : 2016ARA&A..54..667S . doi : 10.1146/annurev-astro-081915-023426 . ISSN 0066-4146 .
^ Робертс, WW (1 октября 1969 г.). «Крупномасштабное ударное образование в спиральных галактиках и его влияние на звездообразование». Астрофизический журнал . 158 : 123. Бибкод : 1969ApJ...158..123R . дои : 10.1086/150177 . ISSN 0004-637X .
^ Тоомре, Алар; Тоомре, Юри (1 декабря 1972 г.). «Галактические мосты и хвосты». Астрофизический журнал . 178 : 623–666. Бибкод : 1972ApJ...178..623T . дои : 10.1086/151823 . ISSN 0004-637X .
^ Гольдрейх, П.; Тремейн, С. (1 ноября 1979 г.). «Возбуждение волн плотности на резонансах Линдблада и коротации внешним потенциалом» (PDF) . Астрофизический журнал . 233 : 857–871. Бибкод : 1979ApJ...233..857G . дои : 10.1086/157448 . ISSN 0004-637X .
^ Jump up to: ^а ^б Ливио, Марио (2003) [2002]. Золотое сечение: история Фи, самого удивительного числа в мире (первое издание в мягкой обложке). Нью-Йорк: Broadway Books . стр. 121–2. ISBN 0-7679-0816-3 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Кэрролл, Брэдли В.; Дейл А. Остли (2007). Введение в современную астрофизику . Эддисон Уэсли. п. 967. ИСБН 978-0-201-54730-6 .
^ Jump up to: ^а ^б Филлипс, Стивен (2005). Структура и эволюция галактик . Уайли. стр. 132–3. ISBN 0-470-85506-1 .
^ Гольдрейх, Питер ; Тремейн, Скотт (май 1978 г.). «Формирование подразделения Кассини в кольцах Сатурна». Икар . 34 (2). Elsevier Science : 240–253. Бибкод : 1978Icar...34..240G . дои : 10.1016/0019-1035(78)90165-3 .
^ Гольдрейх, Питер ; Тремейн, Скотт (сентябрь 1982 г.). «Динамика планетарных колец». Анну. Преподобный Астрон. Астрофизика . 20 (1). Годовые обзоры : 249–283. Бибкод : 1982ARA&A..20..249G . дои : 10.1146/annurev.aa.20.090182.001341 .
^ Jump up to: ^а ^б Шу, Фрэнк Х. (1984). «Волны в планетарных кольцах». В Гринберге, Р.; Браич, А. (ред.). Планетарные кольца . Тусон: Издательство Университета Аризоны . стр. 513–561. Бибкод : 1984prin.conf.....G .
^ Тискарено, MS; Бернс, Дж.А.; Николсон, доктор медицинских наук; Хедман, ММ; Порко, CC (июль 2007 г.). «Изображения Кассини колец Сатурна II. Вейвлет-метод для анализа волн плотности и другой радиальной структуры в кольцах». Икар . 189 (1): 14–34. arXiv : astro-ph/0610242 . Бибкод : 2007Icar..189...14T . дои : 10.1016/j.icarus.2006.12.025 . S2CID 2277872 .
^ Тискарено, MS; Николсон, доктор медицинских наук; Бернс, Дж.А.; Хедман, ММ; Порко, CC (1 ноября 2006 г.). «Раскрытие временной изменчивости спиральных волн плотности Сатурна: результаты и прогнозы». Астрофизический журнал . 651 (1). Американское астрономическое общество : L65–L68. arXiv : astro-ph/0609242 . Бибкод : 2006ApJ...651L..65T . дои : 10.1086/509120 . S2CID 61586 .

Внешние источники

Бертен, Джузеппе. 2000. Динамика галактик. Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
Бертен, Г. и К.С. Лин. 1996. Спиральная структура в галактиках: теория волн плотности. Кембридж: MIT Press.
К.С. Линь, Юань, К. и Ф.Х. Шу, «О спиральной структуре диска и галактик III. Сравнение с наблюдениями» , Ap.J. 155, 721 (1969). (ТКИ)
Юань, К., «Применение теории волн плотности к спиральной структуре системы Млечного Пути I. Систематическое движение нейтрального водорода» , Ap.J., 158, 871 (1969). (ТКИ)

Внешние ссылки

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

[LinShu1964-1] Jump up to: ^а ^б ^с Лин, CC; Шу, FH (1964). «О спиральном строении дисковых галактик» . Астрофизический журнал . 140 : 646–655. Бибкод : 1964ApJ...140..646L . дои : 10.1086/147955 .

[2] Шу, Фрэнк Х. (19 сентября 2016 г.). «Шесть десятилетий теории спиральных волн плотности» . Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 54 (1): 667–724. Бибкод : 2016ARA&A..54..667S . doi : 10.1146/annurev-astro-081915-023426 . ISSN 0066-4146 .

[3] Робертс, WW (1 октября 1969 г.). «Крупномасштабное ударное образование в спиральных галактиках и его влияние на звездообразование». Астрофизический журнал . 158 : 123. Бибкод : 1969ApJ...158..123R . дои : 10.1086/150177 . ISSN 0004-637X .

[4] Тоомре, Алар; Тоомре, Юри (1 декабря 1972 г.). «Галактические мосты и хвосты». Астрофизический журнал . 178 : 623–666. Бибкод : 1972ApJ...178..623T . дои : 10.1086/151823 . ISSN 0004-637X .

[5] Гольдрейх, П.; Тремейн, С. (1 ноября 1979 г.). «Возбуждение волн плотности на резонансах Линдблада и коротации внешним потенциалом» (PDF) . Астрофизический журнал . 233 : 857–871. Бибкод : 1979ApJ...233..857G . дои : 10.1086/157448 . ISSN 0004-637X .

[livio-6] Jump up to: ^а ^б Ливио, Марио (2003) [2002]. Золотое сечение: история Фи, самого удивительного числа в мире (первое издание в мягкой обложке). Нью-Йорк: Broadway Books . стр. 121–2. ISBN 0-7679-0816-3 .

[Carroll2007-7] Jump up to: ^а ^б ^с Кэрролл, Брэдли В.; Дейл А. Остли (2007). Введение в современную астрофизику . Эддисон Уэсли. п. 967. ИСБН 978-0-201-54730-6 .

[Phillipps,_Steven_2005_132–3-8] Jump up to: ^а ^б Филлипс, Стивен (2005). Структура и эволюция галактик . Уайли. стр. 132–3. ISBN 0-470-85506-1 .

[GT78-9] Гольдрейх, Питер ; Тремейн, Скотт (май 1978 г.). «Формирование подразделения Кассини в кольцах Сатурна». Икар . 34 (2). Elsevier Science : 240–253. Бибкод : 1978Icar...34..240G . дои : 10.1016/0019-1035(78)90165-3 .

[GT82-10] Гольдрейх, Питер ; Тремейн, Скотт (сентябрь 1982 г.). «Динамика планетарных колец». Анну. Преподобный Астрон. Астрофизика . 20 (1). Годовые обзоры : 249–283. Бибкод : 1982ARA&A..20..249G . дои : 10.1146/annurev.aa.20.090182.001341 .

[Shu84-11] Jump up to: ^а ^б Шу, Фрэнк Х. (1984). «Волны в планетарных кольцах». В Гринберге, Р.; Браич, А. (ред.). Планетарные кольца . Тусон: Издательство Университета Аризоны . стр. 513–561. Бибкод : 1984prin.conf.....G .

[Tiscareno2007a-12] Тискарено, MS; Бернс, Дж.А.; Николсон, доктор медицинских наук; Хедман, ММ; Порко, CC (июль 2007 г.). «Изображения Кассини колец Сатурна II. Вейвлет-метод для анализа волн плотности и другой радиальной структуры в кольцах». Икар . 189 (1): 14–34. arXiv : astro-ph/0610242 . Бибкод : 2007Icar..189...14T . дои : 10.1016/j.icarus.2006.12.025 . S2CID 2277872 .

[Tiscareno2006a-13] Тискарено, MS; Николсон, доктор медицинских наук; Бернс, Дж.А.; Хедман, ММ; Порко, CC (1 ноября 2006 г.). «Раскрытие временной изменчивости спиральных волн плотности Сатурна: результаты и прогнозы». Астрофизический журнал . 651 (1). Американское астрономическое общество : L65–L68. arXiv : astro-ph/0609242 . Бибкод : 2006ApJ...651L..65T . дои : 10.1086/509120 . S2CID 61586 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

v т и Галактики
Морфология	Диск Чечевицеобразный запрещенный незапрещенный Спираль анемичный запрещенный хлопьевидный грандиозный дизайн средний Магелланов незапрещенный Карликовая галактика эллиптический нерегулярный сфероидальный спираль Эллиптическая галактика компакт-диск Нерегулярный запрещенный Своеобразный Кольцо Полярный
Структура	Активное ядро галактики Бар Выпуклость Центральный массивный объект Галактический Центр Гало темной материи Диск Дисковая галактика Гало корона Галактический самолет Галактический хребет Межзвездная среда Протогалактика Галактическая нить Спиральный рукав Сверхмассивная черная дыра Ультрамассивный
Активные ядра	Блазар ЛАЙНЕР Маркарян Квазар BL Объект Ящерица Радио Х-образный ДРАГН. Релятивистский реактивный самолет Seyfert
Энергичные галактики	Лайман-альфа излучатель Лайман-брейк Светящийся инфракрасный УЛИРГ HLIRG ЭЛИРГ Звездообразование Синий компактный карлик возможно бледно-голубой Светящаяся инфракрасная галактика Горячая пыль скрыта Галактика зеленой фасоли Объект Ханни Галактика Вольфа-Райе
Низкая активность	Низкая поверхностная яркость Ультра диффузный Темная галактика Красный самородок Синий самородок Мертвый диск
Взаимодействие	Поле Галактический прилив Группы и кластеры группа кластер Ярчайшее скопление галактик группа ископаемых Взаимодействие слияние столкновение каннибализм Медуза Спутник Звездный поток Сверхскопления Стены Пустоты и суперпустоты пустота галактики
Списки	Галактики Галактики названы в честь людей Самый большой Ближайший Полярное кольцо Кольцо Спираль Группы и кластеры Большие группы квазаров Квазары Список самых далеких астрономических объектов Звездообразные галактики Сверхскопления Пустоты
См. также	Внегалактическая астрономия Галактическая астрономия Галактическая система координат Галактическая обитаемая зона Галактические магнитные поля Галактическая ориентация Галактический квадрант Диаграмма цвета и величины галактики Формирование и эволюция галактик Кривая вращения галактики Гравитационная линза Гравитационное микролинзирование Прославленный проект Межгалактическая пыль Межгалактические звезды Межгалактическое путешествие Звезды населения III Галактика X (галактика)
Категория Портал