Πού οφείλεται και πώς διατηρείται η σπειροειδής δομή κάποιων γαλαξιών;
- Συγγραφέας: Κατερίνα Δήμα
- 28-06-2022
- Τροποποίηση: 30-09-2023
- Δυσκολία: Μέτριο
- Κατηγορίες: Αστροφυσική
Αν σκεφτεί κανείς ότι η πλειοψηφία των γαλαξιών παρουσιάζει σπειροειδή δομή στο εσωτερικό τους αλλά και ότι ο Γαλαξίας στον οποίο κατοικούμε, γνωστός και ως Milky Way, έχει τέτοια δομή, δημιουργείται εύλογα το ερώτημα για το πώς δημιουργήθηκαν και διατηρήθηκαν στον χρόνο αυτές οι σπείρες.
Αν θεωρήσουμε ότι υπάρχει ένας γαλαξιακός δίσκος, οι αστέρες του δίσκου περιστρέφονται με γωνιακή ταχύτητα Ω(R), η οποία είναι συνάρτηση της ακτινικής απόστασης από το κέντρο του γαλαξία R. Η περιστροφή είναι διαφορική (Ω(R) = V /R, όπου V η γραμμική ταχύτητα), δηλαδή οι αστέρες που βρίσκονται πιο μακριά από το κέντρο θα χρειαστούν περισσότερο χρόνο για να ολοκληρώσουν μια πλήρη περιφορά, από ότι οι κοντινότεροι στο κέντρο. Καθώς ο δίσκος περιστρέφεται διαφορικά, οι βραχίονες δεν παραμένουν ακτινικά στην ίδια θέση αλλά μετακινούνται όπως φαίνεται στην Εικόνα1.
Image Credit: https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/w/Winding+Problem
Όπως φαίνεται στην Εικόνα 1, εξαιτίας της διαφορικής περιστροφής των αστέρων και της θεώρησης ότι οι σπείρες αποτελούνται από το ίδιο υλικό, περιμένουμε σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα οι σπείρες να «τυλιχτούν» (όπως φαίνεται αριστερά στην Εικόνα 2), και να «καταστραφεί» η σπειροειδής δομή. Όμως, οι παρατηρήσεις μάς δείχνουν ότι σε πολύ μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες (όπως φαίνεται δεξιά στην Εικόνα 2) διατηρείται ακόμα η σπειροειδής δομή. Το πρόβλημα αυτό, δηλαδή οι σπείρες να γίνονται πολύ “σφιχτές” σε πολύ λιγότερο χρόνο από τον χρόνο ζωής ενός γαλαξία, είναι γνωστό και ως winding dilemma. Εδώ τίθεται το ερώτημα ποιος μηχανισμός είναι υπεύθυνος για τη διατήρηση της σπειροειδούς δομής.
Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειωθεί ότι υπάρχουν διαφόρων ειδών σπειροειδείς γαλαξίες οι οποίοι, είτε έχουν ράβδο είτε όχι, διακρίνονται με βάση το μήκος και τον αριθμό των σπειρών τους σε:
• flocculent σπειροειδείς γαλαξίες (spiral galaxies) (όπως ο NGC 4414) με πολλούς μικρούς βραχίονες οι οποίοι δεν είναι συμμετρικοί καθώς και τμήματα βραχιόνων που βρίσκονται πάνω στο δίσκο. Αποτελούν το 30 % των σπειροειδών και έχουν τη μικρότερη φωτεινότητα μεταξύ των σπειροειδών.
• (multi-armed galaxies) – γαλαξίες με πολλούς βραχίονες. Αποτελούν το 60 % των σπειροειδών στο οπτικό.
• grand-design γαλαξίες (όπως ο M51) με δύο κύριους σπειροειδείς βραχίονες. Πρόκειται για τους σπειροειδείς με τη μεγαλύτερη φωτεινότητα. Είναι μία σπάνια κατηγορία, καθώς οι grand-design αποτελούν μόλις το 10 % των σπειροειδών.
Οποιαδήποτε θεωρία για την εξήγηση της σπειροειδούς δομής θα πρέπει να πάρει και αυτά τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά κάθε σπειροειδούς γαλαξία υπόψιν.
Οι πιθανές εξηγήσεις που έχουν δοθεί για την επίλυση του winding dilema και μπορούν να εξηγήσουν τη διαχρονικότητα των σπειρών είναι λοιπόν οι εξής:
• Η σπειροειδής δομή να είναι σταθερή αλλά κάθε σπείρα να είναι αρκετά νέα. Αυτή η εξήγηση μπορεί να δοθεί για τους flocculent galaxies αλλά όχι για τους grand-design galaxies. Κατ’ αναλογία, μπορούμε να φανταστούμε ότι ρίχνουμε συνεχώς σταγόνες γάλακτος σε έναν καφέ που έχουμε μόλις ανακατέψει. Παρατηρούμε ότι συνεχώς δημιουργούνται νέες σπείρες και εξαφανίζονται οι παλιές.
• Η υπόθεση που έκαναν οι Lin & Shu (1964,1966) είναι ότι η σπειροειδής δομή οφείλεται σε κύματα πυκνότητας. Οι Lin & Shu, εμπνεόμενοι από την ιδέα του Lindblad για κύματα πυκνότητας, ανέπτυξαν τη δική τους αυτοσυνεπή θεωρία κύματος πυκνότητας, αντιμετωπίζοντας τον γαλαξιακό δίσκο ως συνεχές μέσο αποτελούμενο από αστέρες και αέριο, και παρήγαγαν τις σχέσεις διασποράς. Γενικά με τον όρο σχέση διασποράς στη φυσική εννοούμε τη σχέση μεταξύ χρονικής και χωρικής συχνότητας για έναν περιστρεφόμενο δίσκο τέτοιου είδους. Στην περίπτωση των σπειρών βέβαια πρέπει να λάβουμε υπόψη και την περιστροφή, καθώς και την ιδιοβαρύτητα. Στην πραγματικότητα θεώρησαν ότι οι σπειροειδείς βραχίονες είναι περιοχές μεγαλύτερης πυκνότητας με αστέρες και αέριο που κινείται διαμέσου αυτών. Για να γίνει πιο εύκολα αντιληπτό μπορούμε να παραλληλίσουμε το κύμα πυκνότητας με μία ουρά αυτοκινήτων που κινούνται σε έναν αυτοκινητόδρομο όταν αυτά συσσωρεύονται πίσω από μια νταλίκα και αναγκάζονται να κινηθούν με μικρότερη ταχύτητα. ‘Όταν όμως την προσπεράσουν αναπτύσσουν μεγαλύτερη ταχύτητα και απομακρύνονται. Η συγκεκριμένη εξήγηση προτιμάται για τους grand design γαλαξίες.
• Η σπειροειδής δομή να είναι αποτέλεσμα μιας πρόσφατης βίαιης διαταραχής, όπως η συνάντηση σε πολύ κοντινή απόσταση με έναν άλλον γαλαξία. Πράγματι, μπορεί να είναι η εξήγηση για εντυπωσιακούς σχηματισμούς σπειρών grand-design γαλαξιών.
Αυτά είναι κάποια πιθανά σενάρια για τη διατήρηση της σπειροειδούς δομής, αλλά η έρευνα συνεχίζεται…
Πηγές:
