Badania galaktyk dyskowych tłumaczą ruch tworzących je gwiazd

Astrofizycy z Uniwersytetu Arkansas dokonali ważnego kroku na drodze do zrozumienia tego jak galaktyki dyskowe zachowują kształt swoich ramion spiralnych. Wyniki ich badań wspierają teorię mówiącą, że owe ramiona tworzone ą przez falę gęstszej materii, która tworzy ramiona spiralne przemieszczając się przez galaktykę.

“Budowa ramion spiralnych w galaktykach dyskowych pozostaje dla nas tajemnicą” mówi Ryan Miller, adiunkt na UoA. “Nikt nie wie co określa kształt tych galaktyk spiralnych lub liczbę ich ramion. Nasze badania dostarczyły odpowiedzi na część tej tajemnicy”.

Galaktyki dyskowe, w tym także Droga Mleczna, stanowią 70 procent wszystkich znanych galaktyk. Ich cechą wyróżniającą są spiralnie nawinięte ramiona, jednak astronomowie nie są pewni co pozwala tworzyć i utrzymywać ten kształt.

Cała tajemnica zaczyna się od prostego paradoksu: gwiazdy w galaktykach dyskowych krążą wokół centralnej masy, tak zwanego zgrubienia centralnego, a gwiazdy znajdujące się bliżej środka galaktyki krążą szybciej niż gwiazdy znajdujące się dalej od środka. Ale jeżeli ramiona spiralne składają się ze stałych grup gwiazd, to gwiazdy znajdujące się na zewnętrznych krawędziach musiałyby pokonywać większe odległości niż gwiazdy znajdujące się w centrum, aby dało się zachować kształt spirali. Niczym biegacze na zewnętrznym torze bieżni, musiałyby poruszać się szybciej, aby utrzymać swoją pozycję w grupie.

W latach sześćdziesiątych XX wieku astronomowie zaproponowali teorię fali gęstości na wytłumaczenie tego paradoksu. Teoria mówi, że ramiona galaktyk dyskowych nie składają się ze statycznych grup gwiazd. Zamiast tego owe ramiona są falami gęstszych obszarów przemieszczającymi się między gwiazdami. Gwiazdy poruszają się zgodnie z prawami fizyki, a krążąc wokół centrum galaktyki, napotykają także te gęstsze obszary.

Wielu astronomów porównuje fale gęstszej materii do korków drogowych, w których prędkość gwiazd przemieszczających się po orbicie wokół centrum galaktyki zmniejsza się w reakcji na gęstszą materią, tak samo jak prędkość samochodów napotykających korek. Dopiero po przemieszczeniu się przez ramię, gwiazdy przyspieszają.

Gęstsze obszary wpływają także na obłoki gazu przechodzące przez te obszary. Obłoki gazu ulegają kompresji i kolapsowi prowokując rozpoczęcie procesów gwiazdotwórczych.

Wyniki badań opublikowano w najnowszym wydaniu periodyku Astrophysical Journal.

Ryan Miller wraz ze współpracownikami dostarczył nowych dowodów wspierających teorię fal gęstości przyglądając się gwiazdom w różnym wieku i porównując ich położenie z położeniem centrum fali gęstości.

Zgodnie z teorią, na każdym ramieniu musi znajdować się punkt, w którym prędkość rotacji fali gęstości i prędkość gwiazd jest taka sama. To tak zwany promień współrotacji. Gwiazdy znajdujące się w promieniu współrotacji powinny poruszać się szybciej niż fala gęstości, ponieważ znajdują się bliżej centrum. Dlatego też, im starsza gwiazda, tym bardziej powinna była się oddalić od miejsca narodzin w pobliżu fali. Na zewnątrz promienia współrotacji gdzie gwiazdy poruszają się wolniej od fali gęstości, starsze gwiazdy powinny pozostawać daleko za falą.

Badacze przyjrzeli się zdjęciom galaktyk w bazie danych NASA/IPAC Extragalactic Database, zarządzanej przez JPL w Caltech. Dla każdej galaktyki badacze przeanalizowali zdjęcia w różnych zakresach promieniowania, przedstawiające gwiazdy w różnym wieku. Badacze odkryli, że każda grupa gwiazd tworzyła ramię o nieznacznie różnym “kącie nachylenia”, będącym kątem ramienia względem centrum galaktyki. Porównując te różne kąty nachylenia z kątem centrum fali gęstości wykazali, że położenie tych grup gwiazd zgadza się z przewidywaniami opartymi na teorii fal gęstości.

Choć opisywane badania dostarczają dowodów na to dlaczego ramiona spiralne utrzymują swój kształt, wiele pytań wciąż pozostaje bez odpowiedzi. Łatwo zrozumieć powstawanie korków drogowych gdy wypadek ogranicza ruch z trzech do tylko jednego pasa ruchu, ale określenie tego skąd się biorą fale gęstości wciąż wymaga badań.

Źródło: University of Arkansas