spiraalstructuur

spiraalstructuur Materie-doodmaterie astrofysica.6:

Spiraalstructuur.(p10)

10. Invloed van de verschillende parameters.

Zoals eerder vermeld, zijn de waarden van de parameters scherp. Ga je te ver van deze waarden af, dan verschijnt de spiraalstructuur niet meer. Er wordt geen evenwicht bereikt. We hebben geprobeerd verschillende simulaties uit te voeren rond deze optimale instellingen. Hieronder samengevat onze empirische ervaring:

• De epicyclische frequentie bepaalt het aantal armen. Een waarde van w = 1 geeft een structuur met twee armen, terwijl w = 2 vier armen oplevert. Wanneer de waarde tussen twee gehele getallen ligt, wordt de spiraalstructuur zeer onzeker.

• Het verhoudingsgetal van negatieve tot positieve massa m bepaalt de kromming van de armen. De structuur van het vorige voorbeeld komt overeen met m = 3.

Bij m < 3 is de halo onstabiel en verspreidt zich voordat een spiraalstructuur ontstaat. Dit betekent dat een dempende proces (dynamische wrijving) de positieve materie verwarmt, waardoor deze door de halo ontsnapt.

Voor waarden boven 3 wordt de melkweg steeds compacter. Rond m = 5 verschijnt een stuurwielvorm. Een gestreepte spiraal vult deze structuur af. Voor hogere massa-verhoudingen is de druk in de cluster te groot en lijkt geen spiraalstructuur meer haalbaar (maar zoals eerder opgemerkt kan dit een artefact zijn door het relatief lage aantal punten).

De verschillende melkwegschema’s zijn in figuur 15 uitgezet tegenover het massa-verhoudingsgetal. De invloed van de parameters en (gerelateerd aan thermische snelheden) is niet onderzocht.

Fig. 17: Schematische grand design versus massa-verhouding.

11. Conclusie.

Deze resultaten lijken interessant, maar we moeten voorzichtig zijn om diverse redenen. Allereerst werken we met 2D-simulaties, niet met 3D-simulaties. Strikt genomen beschrijven deze simulaties niet het gedrag van massa-punten in een vlak, geïntegreerd in hun eigen gravitationele veld, maar het gedrag van "snoeren" die interageren via gravitationele (en anti-gravitatie) krachten. Dit komt door de vorm van de Poisson-vergelijking (36), die verwijst naar een driedimensionaal medium. We kunnen alleen hopen dat volledig 3D-simulaties, toegepast op een vlak systeem met z-bewegingen, vergelijkbare resultaten zullen geven.

Stel dat dit zo is. Dit model suggereert een nieuwe mechanisme die de spiraalstructuur van sterrenstelsels zou kunnen veroorzaken. We vinden twee regimes. Ten eerste vertraagt dynamische wrijving de centrale kern. Vervolgens drijft het proces van gravitationele resonantie het systeem aan en ontstaan armen door getijde-effecten. Deze structuren dissiperen niet door thermische effecten, zoals in andere studies (de negatieve halo fungeert als een barrière en voorkomt hun verdwijning). Deze structuren blijven stabiel over een indrukwekkend aantal omwentelingen (50). In feite is hun oorsprong vrij verschillend. We vinden staven, stuurwielvormen. Het lijkt een veelbelovende weg om te verkennen.

Aan de andere kant heeft deze "2D-galaxie" geen gas. In feite bestaat het uit 10.000 "sterren" of "groepen van sterren". De interactie met een tweede set van 10.000 objecten (van wie de aard niet is gespecificeerd, behalve dat ze een negatieve massa hebben) leidt tot een niet-lineair effect, een spiraalpatroon. Als we in dit systeem wat gas zouden toevoegen met een positieve massa (een orde van grootte lager dan de massa van het "sterrenmateriaal": 10.000 objecten met positieve massa), en waarvan de elementen een lagere thermische snelheid hebben, zou dit gas sneller moeten roteren om de gravitationele kracht te compenseren en het zwakke effect van zijn eigen druk te neutraliseren. Dit gas zou reageren op het niet-homogene veld veroorzaakt door de "sterrenset" en de spiraalstructuur versterken. Als het snelheidsverschil tussen het gas en het sterrenmateriaal overal groot zou zijn, zou dit een spiraalstootgolfpatroon produceren, zoals waargenomen. Als zo’n programma zou kunnen worden uitgevoerd, zouden we een realistischer beeld van een sterrenstelsel kunnen krijgen.

Referenties

[1] PETIT J.P.: Het ontbrekende massa-effect. Il Nuovo Cimento B Vol. 109 juli 1994, pp. 697-710 [2] PETIT J.P.: Tweelinguniversum-cosmologie. Astrophysics and Space Science, ..... (1995), 35 pagina’s, geaccepteerd 8e februari 1995. Binnenkort te publiceren (voorafprint bijgevoegd) [3] Infeld Phys.Rev. 68 (1945) pp. 250-272 [4] Lévy-Leblond J.M. "Begon de Big Bang?" Ann. J. Phys. 58 (1990) pp. 156-159 [5] Misner "Absolute nul-tijd" Phys. Rev. 186 (1969) pp. 1328-1333 [6] Duke "Maximumprincipe en invariantie onder eenheidstransformatie". Phys. Rev 125 (1961) pp. 2163-2167 [7] B. Lindblad, Handbuch der Physik, 53, (1959) 21 [8] C.C. Lin en F.H. Shu: Astrophysics and Gen. Relat. Vol.2 Gordon and Breach Sc. Publ. 1971, p. 235 [9] Toomree A. (1981) De structuur en dynamica van normale sterrenstelsels. Cambridge University Press, p.111 [10] Toomree A. en Toomree J. (1972) Astrophys. J. 178, 623 [11] A. Toomree, Ann. Rev. Astronom. Astrophys. 15 (1977) 437 [12] E. Athanassoula: Door een metgezel gedreven spiraal en staven. Internationaal Astronomisch Congres, Symposium nr. 146 (1991) [13] A. Toomree Astrophys. J. 158 (1969) 89 [14] R.H. Miller en B.F. Smith, Astrophys. J. 277 (1979) 785 [15] F. Hohl, Astrophys. Sp. Sc. 14 (1971) 91 [16] Holmberg E. (1941) Astrophys. J. 94, 385 [17] B. Sundelius en K.J. Donner: Interactie tussen sterrenstelsels, Dynamica van schijfsterrenstelsels (1991) Sundelius red. p. 195 [18] S. Engström: Kenmerkende snelheden in numerieke simulaties, Dynamica van schijfsterrenstelsels (1991) Sundelius red. p. 332 [19] A. Toomree Ann. Rev. Astron. Astrophys. 15 (1977) 437. [20] S. Chapman en T.G. Cowling: De wiskundige theorie van niet-uniforme gassen. Cambridge University Press (1970) [21] R. Adler, M. Bazin & M. Schiffer: Inleiding tot de algemene relativiteitstheorie. Mc Graw Hill 1975 p. 122-123 [22] J.P. Petit en P. Midy: Repulsieve donkere materie. Geometrische Fysica A, 3, maart 1998.

Dankbetuigingen :

Dit werk is mogelijk gemaakt door het Franse CNRS en door het bedrijf A. Dreyer Brevets et Développement. Gedeponeerd in een afgesloten envelop bij de Académie des Sciences van Parijs, 1998.

Opmerkingen.

Dit werk dateert van 1994. Het was alleen mogelijk dankzij Frédéric Landsheat, die destijds student was bij het Duitse centrum voor deeltjesfysica DAISY, en toegang had tot een krachtig systeem. Het werd geheel geheimzinnig uitgevoerd. Toen hij zijn proefschrift had afgerond over gegevensverzamelingsystemen en een ander centrum betrad, werd deze activiteit onderbroken. Sindsdien is er geen aanvullend werk verricht, en zijn we niet in staat geweest om Franse onderzoekers, die over de nodige rekenmiddelen beschikken, te interesseren voor dit onderzoeksgebied.

Als een team, in Frankrijk of elders, deze onderzoeksrichting zou willen hervatten, zouden we daar zeer blij mee zijn. Dit werk is aan vele peer-reviewed tijdschriften voorgelegd, telkens met een film die de vorming van de gestreepte galaxie toont, wat toch zeer suggestief was. Maar geen enkel tijdschrift stuurde het door naar een referee, en beperkte zich tot standaardreacties zoals:

• Sorry, we don't publish speculative works.

Dit essay is slechts een zeer grove schets. Een sterrenstelsel is verre van een systeem dat te reduceren is tot één populatie van massa-punten. Bovendien beïnvloedt het fenomeen van de spiraalstructuur niet het hele sterrenstelsel, maar vooral het interstellaire gas, terwijl populatie I veel minder gevoelig is voor dit fenomeen. Er zou dus een simulatie met twee populaties nodig zijn, die het sterrenstelsel zelf beschrijven. Het zou ook nodig zijn om het sterrenstelsel te representeren zoals het wordt gecompenseerd door de ghost materie, indien dit model geldig is, dus omgeven door repulsieve en relatief warme materie.

De parameters die de beginsituatie beïnvloeden zijn talrijk: verhouding van gemiddelde dichtheden, bewegingsenergie in beide media, dichtheidsprofiel in het sterrenstelsel, snelheidsprofiel. Het overgaan naar 3D stelt het probleem van de huidige rekenkracht, die ontoereikend is.

Wat moet men uit zo’n studie onthouden?

• Een scenario voor de vorming van spiraalsterrenstelsels, waarbij het fenomeen permanent is en niet "tijdelijk", zoals in de theorie van de Franse Françoise Combe. Een structuur die zich vrij snel vormt, waarschijnlijk al bij de geboorte van het sterrenstelsel zelf.

• De duurzaamheid van een dergelijke structuur gedurende een groot aantal omwentelingen. Men weet dat andere modellen stuiten op de moeilijkheid om deze spiraalstructuur te behouden. Het is een dissipatief fenomeen, of het nu gaat om de initiële fase, die een dynamische wrijving doet denken, of om de volgende fase, die wordt beheerst door getijde-effecten. Tijdens het vertragen in de eerste fase wordt het verloren kinetische moment overgedragen aan de omringende ghost materie. Daarna blijft deze overdracht minimaal.

• Het bestaan van ghost materie vormt een potentiaalbarrière aan de rand, waar haar repulsieve kracht het sterkst is (zoals bij de beperking van het sterrenstelsel, wat toegang geeft tot hoge randsnelheden, zie artikel Repulsive dark matter, Geometrical Physics A, 3). Dit zou kunnen verklaren waarom de massa-punten die worden versneld door het dissipatieve proces niet ontsnappen.

• Het is interessant op te merken dat bij kleine variaties in de beginsituatie (met name het massa-verhoudingsgetal) de spiraalstructuur evolueert naar een soort gestreepte schijf, typisch in waarnemingen van sterrenstelsels.

• In latere studies zullen we de effecten van gecombineerde fluctuaties in de metriek onderzoeken, die het effect hebben dat het verhoudingsgetal van de schijnbare massa’s van de twee soorten verandert. Wanneer de schijnbare massa van de ghost materie afneemt, wordt de beperking beïnvloed en ontbindt het sterrenstelsel. We hebben dit fenomeen in 1994 gesimuleerd en beelden van onregelmatige sterrenstelsels verkregen (maar men kan niet zeggen dat er een "type onregelmatig sterrenstelsel" bestaat). Een toename van de schijnbare massa van de ghost materie, die we kunnen verantwoorden voor QSO- en Seyfert-galaxieën door haar invloed op het interstellaire gas, zou, indien het lang genoeg aanhoudt, de "gestreepte schijven" kunnen omzetten in spiraalsterrenstelsels, waarbij de armen in zekere zin "uitvouwen".

Het is jammer dat zo’n boeiend onderzoek, dat tal van promovendus-onderwerpen zou kunnen opleveren, zo aan de kant wordt gezet.