Teoria da onda de densidade - Density wave theory

Imagem da galáxia espiral M81 combinando dados dos telescópios espaciais Hubble , Spitzer e GALEX .

A teoria da onda de densidade ou a teoria da onda de densidade de Lin-Shu é uma teoria proposta por CC Lin e Frank Shu em meados da década de 1960 para explicar a estrutura do braço espiral das galáxias espirais . A teoria de Lin-Shu introduz a ideia de estrutura espiral quasistática de longa duração (hipótese QSSS). Nesta hipótese, o padrão espiral gira em uma determinada frequência angular (velocidade do padrão), enquanto as estrelas no disco galáctico estão orbitando a uma velocidade diferente, dependendo de sua distância ao centro da galáxia . A presença de ondas de densidade espiral em galáxias tem implicações na formação de estrelas , uma vez que o gás orbitando ao redor da galáxia pode ser comprimido e formar choques periodicamente. Teoricamente, a formação do padrão espiral global é tratada como uma instabilidade do disco estelar causada pela autogravidade , em oposição às interações de maré . A formulação matemática da teoria também foi estendida a outros sistemas de discos astrofísicos, como os anéis de Saturno .

Braços espirais galácticos

Explicação dos braços da galáxia espiral.

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Simulação de uma galáxia com um padrão de braço espiral simples. Embora os braços espirais não girem, a galáxia sim. Se você observar de perto, verá estrelas se movendo para dentro e para fora dos braços espirais com o passar do tempo.

Originalmente, os astrônomos tiveram a ideia de que os braços de uma galáxia espiral eram materiais. No entanto, se fosse esse o caso, os braços ficariam cada vez mais enrolados, uma vez que a matéria mais próxima do centro da galáxia gira mais rápido do que a matéria na borda da galáxia. Os braços se tornariam indistinguíveis do resto da galáxia depois de apenas algumas órbitas. Isso é chamado de problema de enrolamento.

Lin & Shu propôs em 1964 que as armas não eram de natureza material, mas sim compostas de áreas de maior densidade, semelhante a um engarrafamento em uma rodovia. Os carros se movem no engarrafamento: a densidade dos carros aumenta no meio dele. O próprio engarrafamento, entretanto, se move mais devagar. Na galáxia, estrelas, gás, poeira e outros componentes se movem através das ondas de densidade, são comprimidos e, em seguida, movem-se para fora delas.

Mais especificamente, a teoria da onda de densidade argumenta que a "atração gravitacional entre estrelas em raios diferentes" evita o chamado problema do enrolamento e, na verdade, mantém o padrão espiral.

A velocidade de rotação dos braços é definida como a velocidade do padrão global. (Assim, dentro de um determinado referencial não inercial , que está girando , os braços espirais parecem estar em repouso). As estrelas dentro dos braços não são necessariamente estacionárias, embora a uma certa distância do centro , o raio de rotação, as estrelas e as ondas de densidade se movam juntas. Dentro desse raio, as estrelas se movem mais rapidamente ( ) do que os braços espirais e, fora, as estrelas se movem mais lentamente ( ). Para uma espiral com m , uma estrela com raio R do centro se moverá através da estrutura com uma frequência . Assim, a atração gravitacional entre as estrelas só pode manter a estrutura em espiral, se a frequência com que uma estrela passa através dos braços é inferior à frequência epicyclic , , da estrela. Isso significa que uma estrutura espiral de vida longa existirá apenas entre a ressonância Lindblad interna e externa (ILR, OLR, respectivamente), que são definidas como os raios tais que: e , respectivamente. Após o OLR e dentro do ILR, a densidade extra nos braços espirais puxa com mais freqüência do que a taxa epicíclica das estrelas, e as estrelas são, portanto, incapazes de reagir e se mover de forma a "reforçar o aumento da densidade espiral". ${\ displaystyle \ Omega _ {gp}}$${\ displaystyle \ Omega _ {gp}}$${\ displaystyle R_ {c}}$${\ displaystyle \ Omega> \ Omega _ {gp}}$${\ displaystyle \ Omega <\ Omega _ {gp}}$${\ displaystyle m (\ Omega _ {gp} - \ Omega (R))}$${\ displaystyle \ kappa (R)}$${\ displaystyle \ Omega (R) = \ Omega _ {gp} + \ kappa / m}$${\ displaystyle \ Omega (R) = \ Omega _ {gp} - \ kappa / m}$

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  Animação 1: Se os braços espirais fossem concentrações de massa rígidas, a galáxia deve girar como um todo em torno de seu centro para manter sua estrutura espiral. De acordo com a observação de Lindblad e as leis da física, esse não é o caso.

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  Animação 2: A rotação diferencial observada por Lindblad dissolveria os braços espirais em um curto período de tempo se eles fossem compostos de concentrações de massa fixas.

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  Animação 3: As órbitas previstas pela teoria da onda de densidade permitem a existência de braços espirais estáveis. As estrelas se movem para dentro e para fora dos braços espirais enquanto orbitam a galáxia.

Outras implicações

Ondas de densidade em espiral no Anel A de Saturno induzidas por ressonâncias com luas próximas .

A teoria da onda de densidade também explica uma série de outras observações que foram feitas sobre galáxias espirais. Por exemplo, "a ordem das nuvens HI e faixas de poeira nas bordas internas dos braços espirais, a existência de estrelas jovens massivas e regiões H II ao longo dos braços, e uma abundância de estrelas vermelhas velhas no restante do disco" .

Quando nuvens de gás e poeira entram em uma onda de densidade e são comprimidas, a taxa de formação de estrelas aumenta à medida que algumas nuvens atendem ao critério de Jeans e colapsam para formar novas estrelas. Uma vez que a formação de estrelas não ocorre imediatamente, as estrelas estão ligeiramente atrás das ondas de densidade. As estrelas OB quentes que são criadas ionizam o gás do meio interestelar e formam as regiões H II. Essas estrelas têm vidas relativamente curtas, no entanto, e expiram antes de deixar totalmente a onda de densidade. As estrelas menores e mais vermelhas saem da onda e se distribuem por todo o disco galáctico.

As ondas de densidade também foram descritas como pressurizando nuvens de gás e, portanto, catalisando a formação de estrelas.

Aplicação aos anéis de Saturno

No início da década de 1970, Peter Goldreich , Frank Shu e outros aplicaram a teoria das ondas de densidade aos anéis de Saturno. Os anéis de Saturno (particularmente o Anel A ) contêm muitas ondas de densidade espiral e ondas de curvatura espiraladas excitadas por ressonâncias Lindblad e ressonâncias verticais (respectivamente) com as luas de Saturno . A física é praticamente a mesma das galáxias, embora as ondas espirais nos anéis de Saturno sejam muito mais compactas (estendendo-se por algumas centenas de quilômetros no máximo) devido à grande massa central (o próprio Saturno) em comparação com a massa do disco. A missão Cassini revelou ondas de densidade muito pequena excitadas pelas luas anelares Pan e Atlas e por ressonâncias de alta ordem com as luas maiores, bem como ondas cuja forma muda com o tempo devido às órbitas variáveis ​​de Jano e Epimeteu .

Veja também

Referências

Fontes externas

• Bertin, Giuseppe. 2000. Dynamics of Galaxies. Cambridge: Cambridge University Press.
• Bertin, G. e CC Lin. 1996. Spiral Structure in Galaxies: A Density Wave Theory. Cambridge: MIT Press.
• CC Lin, Yuan, C., and FH 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)

links externos

• Britannica.com: Teoria da Onda de Densidade (estrutura galáctica)
• Internet Encyclopedia of Science: Density Wave
• UOttawa FactGuru: Teoria da Onda de Densidade