天体物理学

银河池中的波浪

除了优雅的装饰图案外,装饰星系的螺旋和条形对于它们的生长和发育至关重要。

弗兰çoise Combes 对于科学N°337
优雅的螺旋形点缀着天空。星系是天文学中最优雅的物体之一。银河系 m51是最美丽的例子之一:过去被命名为“涡旋星系”,它看起来像一个巨大的旋风(见图1)。最明亮的星星聚集在“武器”中,就像项链上的珍珠以螺旋状围绕中央珠宝展开一样。黑暗的尘埃带缠绕在这些臂中,背叛了恒星诞生所产生的星际气体。对于 m51 在许多其他星系中,螺旋形图案起源于中心,但是在大多数螺旋形星系中,臂臂始于发光的星条的末端。

我们的银河系通常被描述为纯螺旋形,但是今天的天文学家都知道它是一个禁止的螺旋形。自1975年以来一直在积累线索:如果螺旋线延伸到银河心,则银河中心的恒星和气体将不遵循预期的轨道。最近的近红外天空读数使自己摆脱了尘埃云,进入了心脏,直接露出了中央的条形,消除了疑虑。因此,最新的观测结果显示出一条长约25,000光年的条,即银河系直径的四分之一。

星系的条形和螺旋形似乎是持久且不变的结构,但事实并非如此。这些模式不断演变,但发展缓慢,以至于我们只能在特定时刻感知到它们的冻结图像。螺旋线和条形波是横扫星系盘片的波浪,猛烈地重新分布了组成它们的恒星,尘埃和气体。

在过去的十年中,天文学家已经知道,星系看似不可改变的属性(例如形状)会随着时间而发生巨大变化。银河食人症是改变星系外观的最著名的过程:与邻居合并可以将平静而有序的旋涡星系转变为椭圆形星系,没有结构,并且恒星像蜂巢中的蜜蜂一样嗡嗡声,动作混乱。然而,在星系形状的演化中也许更重要的是波的过程。

所有带或不带棒的旋涡星系都旋转。星星围绕中心旋转,形成规则的图案。但是,它们并不会一致。在银河系中,离中心最近的恒星在过去的五十亿年中经历了数千次旋转,而位于银河半径中间的太阳仅围绕银河系大约同时旋转二十次。就像在太阳系中一样,行星离太阳越远,旋转越慢,恒星的速度从银河系盘的中心到边缘降低。这种差异旋转与杆和螺旋线是刚性结构的想法是不相容的:在这种情况下,它们会像绳索一样缠绕在绞盘上,迅速围绕中心缠绕。

螺旋臂如何保持其形状? 1960年代,麻省理工学院的Chia-Chiao Lin和Frank Shu提出了所谓的密度波理论。根据该理论,螺旋的棒和臂是密度波的“凸点”,在这里,恒星会像宇宙的交通拥堵一样暂时聚集。在银河系的内部,恒星的旋转速度要比海浪快并追上波浪,而在外围区域,恒星运动得更慢,海浪从后面撞击它们。波以相同速度伴随恒星的两个区域的边界称为同心圆。

螺旋波本身是由恒星轨道的对准产生的。星系中恒星的轨道不像太阳周围的行星那样规则。与太阳系几乎是所有质量的太阳系不同,大多数星系的质量更均匀地分布在扩展的中心球体内,并且星系的中心不能等于点质量。结果,星星描述了椭圆形,它们不成环,但每转一圈就会移动并形成玫瑰花结(请参见对面的方框)。因此,每转一圈,即每2.3亿年,太阳轨道的移动速度或进动速度为105度。太阳椭圆每7.9亿年描述一次完整的革命。

星际交通堵塞

当恒星轨道的进动速度明显不同时,星系就没有螺旋结构:恒星在彼此附近随机经过并迅速移动,形成像交通繁忙时,高速公路上的汽车。另一方面,当大多数轨道椭圆以相同的进动速度旋转时,就会产生波浪。在条形图中,嵌套的椭圆对齐并一致旋转,沿其长轴产生过大的密度。在螺旋波中,轨道有规律地移位,因此过密度区域绘制了螺旋线。

因此,即使恒星本身没有,恒星轨道也可以一致地运动。但是为什么椭圆会一起移动呢?由于重力不稳定。星系的引力场不是固定外力的结果,而是来自恒星本身。当恒星轨道意外对准时,波浪开始形成。由于恒星的接近而使引力相互作用增强,从而改变了椭圆的进动速度。最快的减速和较慢的加速直到它们同步。密度波因此自放大。

当恒星加入波浪的高密度区域时,它会因重力而暂时被困在那里。经过一段时间后,它被释放并从波浪中逃脱。被海浪追赶的星星保证了结构的持久性。螺旋星系的臂是由于恒星轨道对准而引起的局部恒星密度造成的。

除了同心圆外,在银盘上还有两个特殊的圆,一个在同心圆内,另一个在外圆,以瑞典天文学家Bertil Lindblad的名字命名。轨道与这些共振重合的恒星与密度波“同步”:其轨道的进动周期与波浪的进动周期完全相关。这种相干性增强了波浪对通道上方这些恒星施加的压力。 Lindblad的共鸣及其他影响形状

恒星轨道,并作为界定密度波范围的边界。

密度波理论解释了条形和螺旋形臂如何持续存在,但是在C. C. Lin和F. Shu提出后不久,出现了问题。同样来自麻省理工学院的阿拉尔·图姆雷(Alar Toomre)指出,密度波会在穿过的星际介质中产生冲击波,从而损失能量。因此,必须重新生成一些东西。最初提出的机制涉及更复杂的波传播。由于局部重力的不稳定性,多个波将代替银波传播而进入银河盘并从银盘向外传播。同旋转圆将充当半反射镜,该半反射镜可以反射或透射这些波,从而允许它们以消耗星系的旋转能量的方式获取能量。通过在两个Lindblad共振所界定的区域中传播,就像在宇宙共振腔中一样,波将被放大。

浪中之气

这种反射和放大波的机制是一个合理的假设,但该方程太复杂了,无法解决,除非以严重的近似为代价。天文学家已经进行了精细的数值模拟。不幸的是,根据第一个结果,额外的波浪而不是保留螺旋结构,加速了其破坏。起初会形成螺旋状,但很快就会消散,由棒状结构取代。理论家在不与其他观点相抵触的情况下无法避免形成障碍。

这个障碍在1980年代和1990年代消失了,当时我和我的同事提出了在模拟中包括新成分气体的想法。由于气体仅是旋涡星系质量的百分之几,因此建模者忽略了它。尽管如此,它在银河系动力学中仍具有重要作用。星际气体云经常通过变形和辐射而碰撞并消散其动能。气体云的速度因此降低并变得均匀,气体云对波浪的不稳定性更加敏感,例如湖面比平静时更受卵石的搅动而更受卵石的干扰。很少见到的恒星因此会保持较大范围的相对速度,总的来说,它们对波的通过不那么敏感。

考虑到气体,模拟可重现各种银河形态。星条起着搅拌器的作用,连续驱动气体的螺旋结构,并且螺旋是持久的。另外,波浪包含气体这一事实解决了银河天文学中的几个反复出现的问题。

首先,这些波解释了螺旋臂前边缘上存在灰尘带。由于碰撞,混合了粉尘的气体失去了轨道能量并落向中心。较低的轨道更快,气体因此在旋臂中的恒星前方流动(见图3)。

而且,能量的这种耗散导致气体在棒的几次旋转中落入中心区域,持续时间约为十亿年。在那里,气体产生了新的恒星。因此,密度波解释了恒星形成的速率在星系中心仍然很高。

波浪也可能是导致大多数星系中心潜伏着黑洞的奥秘的关键。问题不会像您想象的那么容易地流入黑洞。尽管星系的质量倾向于在中心聚集,但离心力却与该运动相反。当物质朝中心落下时,星系的整体角动量-质量乘以距离和引力的速度-会减小。守恒原理要求,为了补偿物质向中心黑洞的下落,总角动量的一部分通过银河系尺度的机制转移到磁盘的外部。棒和螺旋臂将恰好扮演这个角色。

天文学家已经观察到气体会落在粉扑的黑洞上。波浪会解释这种生涩的食物。首先,当气体下落时,它会与棒形成同相共振,因此对它的影响不是很敏感(除了这种共振,因为气体先于棒,这给他带来了一些回忆)。然后,气体聚集在一个圆环中并产生恒星。然后,该环中的气体和恒星又形成局部禁止的波,该波将气体沉积在黑洞中。在我们的银河系中,我们怀疑嵌套在中央条中的这种“迷你条”的存在,并且旋转速度更快。因此,密度波不仅会形成装饰图案:它们还会使星系生长。

在三维模拟中,我们发现了几乎系统的现象。中心杆不仅在银河盘的平面上搅动物质,而且还将其从银河盘中拉出。恒星的轨迹,就像太阳系中行星的轨迹一样,总是相对于银河系平面略微倾斜。恒星可以与禁止波发生共振,从而使其轨迹的垂直振动与禁止波的通过同相。这些振荡随后被放大,因此在模拟中,银河星盘在与共振相邻的区域中会明显变厚,从而使星系的内部区域呈花生形状。这些发现将解释在宇宙中观察到的奇异形状。

酒吧的兴衰

具有讽刺意味的是,通过将物质排到银河的心脏,中央条可以自毁。聚集在中心的质量使恒星偏斜,并阻止恒星遵循导杆施加的规则轨道。当仅考虑恒星成分时,这种禁止的结构似乎过于坚固,但一旦模型中包含了气体,它就会变得脆弱。但是,如果这种机制正确,那么如何解释观察到的众多禁止星系呢?在可见光下,三分之二的星系都有一条长条,并且在2002年进行的近红外调查中,这一比例达到了四分之三。最合理的结论是,钢筋是连续形成,破坏和重新形成的。

新星条的形成是一个挑战,因为银河系必须脱离导致前一条星条被破坏的条件。特别是,恒星轨道必须以相对的角速度低的规则模式重新定位自己。为了以这种方式进行自我重组,星系会加速大量星际气体。随着它们的下落,气云碰撞,失去能量,并且它们的轨道变得规则。它们的高角动量减慢了坠落的速度,从而加剧了碟片的不稳定性,并给了杆重新组装的机会。所需的气体量是巨大的:要改造一个条形图,银河系必须在一百亿年内将其质量增加一倍。今天的天文学家知道星际空间包含足够的气体储层。

为了测试该模型,我们必须回顾过去。哈勃太空望远镜的功能足以识别前几代人的星系形状。在1998年至2002年间,不列颠哥伦比亚省维多利亚州天体物理研究所的Sidney van den Bergh小组进行了该方向的首次研究,最初得出的结论是,这些条形的过去很少。这一令人惊讶的结果使人们对气体吸收模型产生怀疑,也使人们对整个螺旋波理论产生了怀疑:确实,早期的星系比今天的气体富含气体,而且浓度低于今天,因此酒吧应该更频繁。但是,范登伯格的初步结果已得到纠正:在遥远的星系中,更难识别出条形。它们在过去和今天一样普遍,因此正如理论所预测的那样,它们正以恒定的速度被破坏和重建。换句话说,旋涡星系并非天生具有给定的形状,无论是否划掉。他们变质了。如果四分之三被划掉,则星系必须具有四分之三的寿命。在这些时间段内,导条会阻止新鲜气体供应到中心。气体积聚在外围,溶解棒之后,涌入中心并使星系焕发活力。

迅速为星系增加质量的另一种方法是食人症,即与其他星系合并。但是,此过程具有破坏性。大规模的融合会破坏圆盘并产生一个椭圆形星系,但是只有少数几个星系是椭圆形的。相反,星系间介质的温和积聚使星系得以生长,同时保持其形状。密度波会重新分配吞咽的物质,并防止银河系沉降。多亏了他们,星系才得以生存并健康发展。

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