Struktura spiralna galaktyk.pdf

StrukturaSpiralnaGalaktyki

Małgorzata Litwin ∗

4 stycznia 2010

Streszczenie

Struktura spiralna galaktyk jest ciekawym zagadnieniem, złożo

nympodwzględem ilości pomysłów tłumaczących taką budowę,ico

najważniejsze nie do końca wyjaśnionym. Ta praca rozpatruje moż

liwośćpowstawania ramionspiralnychjakodwóchróżnych obiektów:

materii oraz fal. Na początku opisany jest tzw. problem nawijania,

doktóregozaproponowanychzostałokilkawytłumaczeń.Wdalszych

krokach opisana jest możliwość powstawania struktury spiralnej na

skutek zaburzeń epicyklicznych, co prowadzi do konstrukcji kinema

tycznychfalgęstościiwyróżnieniurezonansówLindblada.Podkoniec

wyjaśnionotakżemożliwośćpowstawaniapływówspiralnychiwzmoc

nieniawahadłowego.Wszystkiekolejneproblemysąnabieżącoporów

nywane z problemem nawijania, co pozwala stwierdzić, czy któraś z

przedstawionychhipotezmożefaktyczniebyćprawdziwa.

Email:gosiek@byk.oa.uj.edu.pl

Spistreści

1 Wstęp

2 Problemnawijania

3 Epicykle

4 Kinematyczne fale gęstości

5 Rezonanse Lindblada

6 Spirale pływowe 15

6.1 Dysk gazowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6.2 Dysk gwiazdowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

6.3 Wartości parametrów Q w prawdziwych galaktykach. . . . . . 18

7 Wzmocnienie wahadłowe

8 Podsumowanie

1 Wstęp

Budowa spiralna jest jednym z najbardziej uporczywych problemów astro

zyki. Odgrywa ważną rolę w badaniu takich właściwości galaktyk jak: skład

chemiczny, gęstość, czy równowaga termiczna gazu międzygwiazdowego, po

nieważ ramiona są głównym miejscem formowania gwiazd. Ich siła i kształt

dostarczająważnychwskazówekdotyczącychdynamikigazuigwiazdwdysku

galaktycznym. Ponadto ramionaspiralne mogą być najważniejszą siłą,która

powodujeewolucjędyskugalaktycznego,przeztakieprocesyjakgrawitacyjne

rozpraszanie gwiazd z ramion, oraz transport momentu pędu przez spiralne

polegrawitacyjne.Istniejedokładnarelacjamiędzybudowąspiralnąiinnymi

wielkoskalowymi własnościami galaktyki. Pokazuje to klasykacja Hubble’a.

Jednym z głównych celi teorii spiralnej budowy, jest wyjaśnienie pochodze

niatychkorelacji.Ramionaspiralnewyglądająróżnienaróżnychdługościach

fal. Optycznie wzór spiralny tworzą jasne gwiazdy klasy O i B. W dziedzi

nie radiowej widać silne grzbiety emisji radiowej, które także układają się w

spiralę, tyle że leżącą na wewnętrznych brzegach optycznych ramion spiral

nych. Stąd można wnioskować, że odpowiedzialny jest za nie zupełnie od

dzielny mechanizm. Układ taki jest powszechny w wielu galaktykach. Poza

tymniejestznanyprzykładgalaktykibezwolnegogazumiędzygwiazdowego,

która miałaby ramiona spiralne. Stąd też wniosek, że gaz międzygwiazdowy

jest istotnym składnikiem struktury spiralnej. Romiona spiralne mogą zo

staćsklasykowane przezichorientacjęwzględemkierunkurotacjigalaktyki.

Ramiona ciągnięte to takie, które wskazują kierunek przeciwny do kierunku

rotacjidysku galaktyki,zaśprowadzące ramionawskazująkierunekrotacji.

W większości przypadków ramiona spiralne są ciągnięte.

2 Problemnawijania

W latach 60tych okazało się, że większość galaktyk stanowią galaktyki spi

ralne, z płaskim, rotującym dyskiem. Nasuwało się pytanie: skąd taka struk

tura? Pierwszy pomysł jaki został przedstawiony, polegał na tym, że to na

skutek rotacji różnicowej. Załóżmy, że położymy pasek wzdłuż promienia

dysku galaktyki w chwili t = 0. Początkowy kąt azymutalny tego paska

to = 0 , a prędkość rotacji dysku to ( R ), gdzie R jest odległością od

środka dysku. Widać stąd, że dysk rotuje różnicowo, ponieważ prędkość ro

tacjizależyododległościodcentrum.Wtakiejsytuacjipasekniepozostanie

w początkowym położeniu, ponieważ jego różne części będą się poruszały z

różnymi prędkościami zależnymi od R i t :

( R,t )= 0 +( R ) t.

(1)

Momentpędujestzachowany,więcczęścileżącebliżejcentrumbedąsięporu

szały wolniej niż te leżące dalej. Stąd wniosek, że materia tworząca ramiona

spiralneprzezrotacjęróżnicowąjestnawijana.Powodujetopowstaniestruk

tury spiralnej.

Deniujemy kąt natarcia i jako kąt zawarty między styczną do ramienia

a okręgiem na r = const. , co przedstawia rysunek (1). Wówczas 0 < i < 90 o ,

Rysunek 1: kąt natarcia i ( Binney J. Tremaine S. ’Galactic Dynamics’)

oraz

R @

ctg( i )=

(2)

co dla równania (1) daje

ctg( i )= Rt

(3)

Dla małych kątów można zapisać

ctg( i )= Rt

(4)

Jeśli teraz przyjmiemy, że położenia sąsiednich ramionna azymucie wyno

szą R i R + R , to mamy

2 = | ( R + R ) − ( R ) | t,

(5)

więc dla małej odległości między ramionami: R ≪ R dostaniemy

2 = t.

(6)

Po podstawieniu do (4) otrzymujemy:

R = 2 R

ctg( i ) .

(7)

Sprawdźmy co to oznacza. Weźmy typową prędkość rotacji R = v c =

220 k s , promień R = 10 kpc oraz czas życia galaktyki t = 10 10 lat . Z rów

nania (3) wstawiając

= v c

R ,

wyliczmy kąt natarcia:

v R

Rt d

ctg( i ) =

= t

(8)

ctg( i ) = 225 . 17

i = 0 . 0044 rad =0 . 254 o .

Teraz można wyliczyć separację ramion:

R =279 . 04 pc =0 . 28 kpc.

(9)

W związku z tym według powyższych rozważań ramiona typowej galaktyki

powinny być tak ściśnięte, że nie dałoby się ich rozróżnić, czyli galaktyki

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: