Теорія хвиль густини

Зображення спіральної галактики M81, отримане на основі поєднання даних космічних телескопів «Габбл», «Спітцер» та GALEX.

Теорія хвиль густини — теорія, запропонована Цзяцяо Лінем та Френком Шу в середині 1960-х років для пояснення спіральної структури в спіральних галактиках. Дана теорія описує спіральну структуру як довгоживучі квазістаціонарні хвилі густини[1], в яких густина на 10-20 % більша за середній рівень[2]. Ця теорія також була успішно застосована до кілець Сатурна.

Ідея теорії

Пояснення утворення спіральних рукавів.

Моделювання галактики з простим малюнком спіральних рукавів. Спіральні рукава обертаються навколо галактики, а зорі входять в них і виходять

Спочатку астрономи розглядали ідею, за якою спіральні рукави матеріальні за своєю природою. Якби це припущення було вірним, то спіральні рукави ставали б з часом дедалі дужче закрученими, оскільки речовина поблизу центру галактики обертається швидше, ніж речовина на краю галактики. Через кілька обертів рукави б так туго закрутились, що заповнили б собою практично весь диск[2].

Лінь і Шу в 1964 році припустили, що спіральні рукави не є матеріальними утвореннями, а являють собою області підвищеної густини, схожими на затор на дорозі[3]. Машини рухаються крізь такий затор: у середині його щільність машин зростає, причому сам затор практично не зсувається дорогою порівняно з рухом машин. У галактиці зорі, газ, пил та інші компоненти рухаються крізь хвилі густини, речовина піддається стисканню, а потім залишає хвилю.

Позначимо швидкість обертання спіральних рукавів через ${\displaystyle \Omega _{gp}}$ (так що в неінерційній системі відліку, яка обертається з кутовою швидкістю ${\displaystyle \Omega _{gp}}$, спіральні рукави будуть нерухомими). Зорі обертаються навколо центра галактики з кутовою швидкістю ${\displaystyle \Omega (R)}$, яка залежить від радіуса. Лише на певній відстані ${\displaystyle R_{c}}$ від центра Галактики, яка зветься радіусом коротації, зорі та спіральні рукави обертаються з однаковими швидкостями. Усередині радіуса коротації зорі рухаються швидше за спіральні рукави (${\displaystyle \Omega >\Omega _{gp}}$), а поза радіусом коротації зорі рухаються повільніше за спіральний візерунок (${\displaystyle \Omega <\Omega _{gp}}$)[2]. Можна помітити, що у разі спірального візерунка, що складається з m гілок, зоря на галактоцентричній відстані R рухатиметься крізь спіральну структуру з частотою ${\displaystyle m(\Omega _{gp}-\Omega (R))}$. Гравітаційна взаємодія між зорями може підтримувати спіральну структуру лише в тому разі, якщо частота, з якою зоря проходить через спіральні рукави, не перевищує епіциклічної частоти зорі ${\displaystyle \kappa (R)}$. Це означає, що довготривала спіральна структура може існувати тільки між внутрішнім та зовнішнім резонансами Ліндблада, радіуси яких визначаються з рівностей ${\displaystyle \Omega (R)=\Omega _{gp}+\kappa /m}$ і ${\displaystyle \Omega (R)=\Omega _{gp}-\kappa /m}$[4].

• Анімація 1: у припущенні спіральних рукавів як матеріальних утворень галактика повинна обертатися навколо центру ґк тверде тіло, щоб підтримувати постійну спіральну структуру; такі припущення суперечать спостережним даним.
• Анімація 2: як показав Б. Ліндблад, диференціальне обертання галактики протягом декількох обертів зробить спіральні рукави дуже туго закрученими, якщо розглядати спіральну структуру, що складається з фіксованої концентрації маси.
• Анімація 3: орбіти зір, що передбачаються теорією хвиль густини, дозволяють існувати стійким спіральним рукавам. В процесі орбітального обертання зорі входять в спіральний рукав і потім залишають його.

Інші застосування теорії

Теорія хвиль густини також пояснює ряд інших спостережних даних про спіральні галактики: упорядковане розташування хмар нейтрального водню та пилових смуг на внутрішніх краях спіральних рукавів, існування молодих масивних зір та областей іонізованого водню в рукавах[2]. Коли хмари газу та пилу входять у хвилю густини і піддаються стисканню, темп зореутворення збільшується, оскільки параметри деяких хмар у подібних умовах задовільняють критерію гравітаційної нестійкості і в результаті колапсу хмари утворюють зорі. Оскільки зореутворення відбувається не миттєво, то молоді зорі розташовуються за хвилями густини. Гарячі OB-зорі^[en] йонізують газ міжзоряного середовища, створюючи області йонізованого водню. Такі зорі мають порівняно малий час життя і припиняють існування раніше, ніж залишать хвилю густини. Дрібніші червоні зорі живуть довше і встигають залишити хвилю густини і розподілитись по всьому диску галактики.

Система кілець Сатурна

Хвилі густини в кільці A Сатурна, викликані орбітальними резонансами з близькими супутниками Сатурна.

Починаючи з кінця 1970-х років Пітер Голдрайх, Френк Шу та інші астрономи застосовували теорію хвиль густини до дослідження кілець Сатурна[5][6]. Кільця Сатурна (особливо кільце A) містять велику кількість спіральних хвиль густини, пов'язаних із резонансами із супутниками Сатурна. Спіральні хвилі в кільцях Сатурна набагато щільніше закручені в порівнянні зі спіральними рукавами дисків галактик, що є наслідком високої маси Сатурна в порівнянні з масою кілець[7]. Місія «Кассіні — Гюйгенс» виявила дуже малі хвилі густини, створювані супутниками Паном та Атласом, а також резонансами вищих порядків із масивними супутниками Сатурна[8]. Також були виявлені хвилі, що з часом змінюють форму через зміну орбіт Януса і Епіметея[9].

Примітки

1. Kaplan, S. A.; Pikelner, S. B. Large-scale dynamics of the interstellar medium // Annual Review of Astronomy and Astrophysics : journal. — Palo Alto, 1974. — Vol. 12, no. 1 (21 January). — P. 113—133. — Bibcode:1974ARA&A..12..113K. — DOI:10.1146/annurev.aa.12.090174.000553.
2. Carroll, Bradley W.; Dale A. Ostlie. An Introduction to Modern Astrophysics. — Addison Wesley, 2007. — С. 967. — ISBN 0-201-54730-9.
3. Lin, C.C.; Shu, F.H. On the spiral structure of disk galaxies // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 1964. — Vol. 140 (21 January). — P. 646—655. — Bibcode:1964ApJ...140..646L. — DOI:10.1086/147955.
4. Phillipps, Steven. The Structure & Evolution of Galaxies. — Wiley, 2005. — С. 132—133. — ISBN 0-470-85506-1.
5. Goldreich, Peter; Tremaine, Scott. The formation of the Cassini division in Saturn's rings // Icarus : journal. — Elsevier Science, 1978. — Vol. 34, no. 2 (5). — P. 240—253. — Bibcode:1978Icar...34..240G. — DOI:10.1016/0019-1035(78)90165-3.
6. Goldreich, Peter; Tremaine, Scott. The Dynamics of Planetary Rings // Annu. Rev. Astron. Astrophys. : journal. — Annual Reviews, 1982. — Vol. 20, no. 1 (9). — P. 249—283. — Bibcode:1982ARA&A..20..249G. — DOI:10.1146/annurev.aa.20.090182.001341.
7. Shu, Frank H. Planetary Rings / Greenberg, R.; Brahic, A. — Tucson : University of Arizona Press^[en], 1984. — С. 513—561. Архівовано з джерела 19 квітня 2017
8. Tiscareno, M.S.; Burns, J.A.; Nicholson, P.D.; Hedman, M.M.; Porco, C.C. Cassini imaging of Saturn's rings II. A wavelet technique for analysis of density waves and other radial structure in the rings // Icarus : journal. — Elsevier, 2007. — Vol. 189, no. 1 (7). — P. 14—34. — arXiv:astro-ph/0610242. — Bibcode:2007Icar..189...14T. — DOI:10.1016/j.icarus.2006.12.025.
9. Tiscareno, M.S.; Nicholson, P.D.; Burns, J.A.; Hedman, M.M.; Porco, C.C. Unravelling temporal variability in Saturn's spiral density waves: Results and predictions // The Astrophysical Journal : journal. — American Astronomical Society, 2006. — Vol. 651, no. 1, (11). — P. L65—L68. — arXiv:astro-ph/0609242. — Bibcode:2006ApJ...651L..65T. — DOI:10.1086/509120.

Література

• Bertin, Giuseppe. 2000. Dynamics of Galaxies. Cambridge: Cambridge University Press.
• Bertin, G. and C.C. Lin. 1996. Spiral Structure in Galaxies: A Density Wave Theory. Cambridge: MIT Press.
• C.C. Lin, Yuan, C., and F.H. Shu, «On the Spiral Structure of Disk i Galaxies III. Comparison with Observations», Ap.J. 155, 721 (1969). (SCI)
• Yuan, C.,«Application of Density-Wave Theory to the Spiral Structure of the Milky Way System I. Systematic Motion of Neutral Hydrogen», Ap.J., 158, 871 (1969). (SCI)

Посилання

• Britannica.com: Density Wave Theory (galactic structure)
• Internet Encyclopedia of Science: Density Wave
• UOttawa FactGuru: Density Wave Theory