spiral structure

spiral structure Matter ghost matter astrophysics.6:

Spiral structure.(p10)

10. Impact of the different parameters.

As mentionned previously, the values of parameters are sharp. Going too far from them, and the spiral structure will no more appear. No equilibrium will be reached. We tried to compute several simulations around these optimal settings. Let us sum up here our empirical experience:

• The epicyclic frequency runs the numbers of the arms. A value w = 1 gives a two-arms structure, while = 2 gives four arms. When it lies between two integers the spiral structure becomes very uncertain.

• The ratio of negative to positive mass m controls the curvature of the arms. The structure of the former example corresponds to = 3.

Under = 3, the halo is unstable and dissipates before a spiral structure appears. It means that dissipative process (dynamic friction) heats the positive matter, which escapes through the halo.

For values over 3 the galaxy will be more and more compact. A steering-wheel appears around five. A barred spiral complete this structure. For higher masses ratio m the cluster is too much under pressure and no spiral structure seem to be viable (but, as pointed out earlier this could be an artifact due to the relatively low number of points).

The different galaxy schemes have been drawn on figure 15, versus the mass-ratio. The impacts of the parameters and (related to the thermal velocities) have not been explored.

Fig. 17:** Schematic grand design versus mass ratio** .

11. Conclusion.

These results look interesting, but we have to be modest for several reasons. First of all we deal with 2d simulations, not 3d simulations. Strictly talking this does not describe the behaviour of mass points, located in a plane, imbeded in their own gravitational field, but the behaviour of "strings" interacting through gravitational (and anti-gravitational) forces. This comes from the form of the Poisson equation (36), which refers to a three dimensional medium. We just can hope that fully 3d simulations, applying to a flat system, with z-motions ,would provide similar results.

Suppose it would do. This model suggests a new mechanism which would drive the spiral structure of the galaxies. We find two regimes. First a dynamic friction slows down the central core. Then gravitational resonance process drives the system and arms forms, due to tidal effects. They do not dissipate by thermal effects, like in others works (the negative halo acts like a barrier and prevents their dissipation). These structures remain stable over an impressive number of turns (50). In fact, their origin is quite different. We find bars, stear-weels designs. It seems to be a promizing way to explore.

On another hand, this "2d galaxy" owns no gas. Basically, it is composed by 10,000 "stars" ou "groups of stars". The interaction with the second set of 10,000 objects (whose nature is not precised, except they own a negative mass) provides a non-linear effect, a spiral pattern. If we could add some gas in this system, owing a positive mass (one order of magnitude lower than the mass of the "stellar material" : 10,000 positive mass objects), and whose elements would own a lower thermal velocity, this gas should rotate faster, in order to balance the gravitational force and to compensate the weakness its own pressure force effect. This gas should react to the non-homogeneous field, due to "set of stars" and enhance the spiral structure. If the velocity contrast between the gas and the stellar material would be large everywhere, this should produce spiral shock wave pattern, as observed. If such a program could be achieved, we could get a more realistic description of a galaxy.

References

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Achnowledgements :

This work is supported by the french CNRS and by the A. Dreyer Brevets et Développement company. Déposé sous pli cacheté à l'Académie des Sciences de Paris, 1998.

Commentaires.

Ce travail date de 1994. Il n'a été rendu possible que parce Frédéric Landsheat, qui était alors étudiant au centre allemand de physique des particles allemand DAISY avait accès à un gros système. Il fut effectué entièrement de manière clandestine. Quand, ayant soutenu sa thèse sur les systèmes d'acquisition de données, celui-ci gagna un autre centre, cette activité fut interrompue. Aucun travail complémentaire n'a été effectué depuis cette date et nous n'avons pas réussi à intéresser les chercheurs français, disposant des moyens de calcul ad hoc, à ce thème de recherche.

Si un équipe, en France ou à l'atranger, voulait reprendre ces études exploratrices, nous en serions fort heureux. Ce travail fut soumis à de nombreuses revues de publication à comité de lecture, en étant à chaque fois accompagné du film montrant la naissance de la galaxie barrée, pourtant fort suggestif. Mais aucune ne le soumit à un referee, se contentant de réponses stéréotypes du genre :

• Sorry, we don't publish speculative works.

Cet essai n'est qu'une ébauche très grossière. Une galaxie n'est pas, loin s'en faut, un système réductible à une seule population de points-masses. Par ailleurs le phénomène de la structure spirale n'affecte pas l'ensemble dela galaxie, mais principalement le gaz interstellaire, la population I étant beaucoup moins sensible au phénomène. Il faudrait donc envisager des simulations avec deux populations, décrivant la galaxie elle-même. Il serait aussi nécessaire de représenter la galaxie telle que son confinement par la ghost matter, si ce modèle est valable, se présente, c'est à dire environnée de matière répulsive et relativement chaude.

Les paramètres modulant les conditions initiales sont nombreux. Rapport des densités moyennes, vitesse d'agitation dans les deux milieux, profil des densités dans la galaxie, profil des vitesses. Le passage au 3d pose le problème de la puissance des systèmes actuels, insuffisante.

Que faut-il retenir d'une telle étude ?

• Un scénario de formation des galaxies spirales, le phénomène étant alors permanent et non "transient", comme dans la théorie de la français Françoise Combe. Structure qui se constituerait assez rapidement, probablement dès la naissance même de la galaxie.

• La persistance d'une telle structure pendant un nombre de tours important. On sait que les autres modèles se heurtent à la difficulté de maintenir cette structure spirale. Il s'agit d'un phénomène dissiptaif, qu'il s'agisse de la phase initiale, qui évoque une friction dynamique ou de la phase suivante, dominée par les effets de marée.Lors du freinage apparaissant dans la première phase, le moment cinétique perdu par la galaxie est transféré à la ghots matter environnante. Après, ce transfert reste minime.

• La présence de la ghost matter constitue une barrière de potentiel, à la périphérie, là où son pouvoir répulsif est le plus intense (comme dans le confinement de la galaxie, autorisant des survitesses péripéhériques, voir article Repulsive dark matter, Geometrical Physics A, 3). Ceci pourrait expliquer la non évasion des points masses accélérés par le processus dissipatif.

• Il est intéressant de noter qu'en variant quelque peu les conditions initiales (en particulierle rapport des masses impliquées) on voit la structure spirale évoluer vers une sorte de volant barré, typique dans les observations de galaxies.

• Dans des travaux ultérieurs nous étudierons les effets de fluctuations conjointes des métriques, ayant pour effet de modifier le rapport des masses apparentes des deux espèces. Lorsque la masse apparente de la ghost matter diminue, le confinement s'en trouve affecté et la galaxie se désarticule. Nous avons simulé ce phénomène, en 1994 et obtenu des images de galaxies irrégulières (mais on ne peut pas dire qu'il y ait de "galaxie irrégulière-type"). Un accroissement de la masse apparente de la ghost matter, s'il nous semble pouvoir être rendu responsable des phénomènes QSO et galaxies de Syfert, du fait de son action sur le gaz interstellaire, pourrait aussi, s'il se maintient pendant suffisamment longtemps, transformer les "volants barrés" en galaxies spirales, les bras, en quelque sorte, se "dépliant".

Il est dommage que des recherches aussi passionnantes, qui pourraient faire l'objet de nombreux sujets de thèse, soit ainsi laissées à l'abandon.