struktura spiralna

struktura spiralna Materia cienia, materia, astrofizyka.6:

Spiralna struktura. (str. 10)

10. Wpływ różnych parametrów.

Jak wspomniano wcześniej, wartości parametrów są ostre. Zbyt duże odchylenie od nich powoduje, że struktura spiralna już nie powstaje. Nie dochodzi do równowagi. Próbowaliśmy przeprowadzić wiele symulacji wokół tych optymalnych ustawień. Podsumujmy tutaj nasze doświadczenia empiryczne:

• Częstotliwość epicykliczna decyduje o liczbie ramion. Wartość w = 1 daje strukturę dwuramienną, zaś w = 2 – czteroramienną. Gdy wartość znajduje się pomiędzy dwiema liczbami całkowitymi, struktura spiralna staje się bardzo niepewna.

• Stosunek masy ujemnej do dodatniej kontroluje krzywiznę ramion. Struktura z poprzedniego przykładu odpowiada wartości m = 3.

Dla wartości m < 3 halo jest niestabilne i rozprasza się przed powstaniem struktury spiralnej. Oznacza to, że procesy rozpraszające (tarcie dynamiczne) ogrzewają materię dodatnią, która ucieka przez halo.

Dla wartości m > 3 galaktyka staje się coraz bardziej skompaktowana. Wokół m = 5 pojawia się kształt przypominający kierownicę. Strukturę tę uzupełnia galaktyka spiralna z prętem. Dla wyższych wartości stosunku mas halo jest zbyt silnie napięte, a struktura spiralna wydaje się niemożliwa do utrzymania (choć, jak już wspomniano, może to być artefakt wynikający z niewielkiej liczby punktów).

Różne schematy galaktyk zostały przedstawione na rysunku 15 w funkcji stosunku mas. Wpływ parametrów i (związanych z prędkościami termicznymi) nie został szczegółowo przebadany.

Rys. 17: Schematyczna struktura „grand design” w funkcji stosunku mas.

11. Wnioski.

Te wyniki wydają się interesujące, ale musimy być ostrożni z kilku powodów. Po pierwsze, pracujemy na symulacjach 2D, a nie 3D. Mówiąc ściśle, nie opisujemy zachowania punktów masowych umieszczonych w płaszczyźnie i oddziałujących na siebie poprzez własne pole grawitacyjne, ale zachowania „ciągów” oddziałujących przez siły grawitacyjne (i antygrawitacyjne). Wynika to z postaci równania Poissona (36), które odnosi się do ośrodku trójwymiarowego. Możemy jedynie mieć nadzieję, że symulacje 3D, stosowane do płaskiego układu z ruchem w kierunku z, dałyby podobne wyniki.

Załóżmy, że tak się stanie. Ten model sugeruje nowy mechanizm prowadzący do powstawania struktury spiralnej w galaktykach. Znajdujemy dwa reżimy. Po pierwsze, tarcie dynamiczne spowalnia centralną część. Następnie proces rezonansu grawitacyjnego napędza układ, a ramiona powstają dzięki efektom przypływowym. Nie ulegają one rozpraszaniu przez efekty termiczne, jak w innych pracach (ujemne halo działa jak bariera i zapobiega ich rozpraszaniu). Te struktury pozostają stabilne przez niesamowitą liczbę obrotów (50). W rzeczywistości ich pochodzenie jest zupełnie inne. Znajdujemy pręty, wzory przypominające kierownicę. Wydaje się to obiecującą drogą do dalszych badań.

Z drugiej strony, ta „galaktyka 2D” nie posiada gazu. Zasadniczo składa się z 10 000 „gwiazd” lub „grup gwiazd”. Oddziaływanie z drugim zestawem 10 000 obiektów (której natura nie jest precyzyjnie określona, z wyjątkiem tego, że mają masę ujemną) powoduje nieliniowy efekt, tworząc wzór spiralny. Gdybyśmy mogli dodać do tego układu gaz o masie dodatniej (o jednym rzędzie wielkości mniejszej niż masa „materiału gwiazdowego”: 10 000 obiektów o masie dodatniej), którego elementy miałyby niższą prędkość termiczną, ten gaz powinien obracać się szybciej, aby zrównoważyć siłę grawitacyjną i skompensować słabość jego własnej siły ciśnienia. Ten gaz powinien reagować na niejednorodne pole, wywołane przez „zestaw gwiazd”, i wzmocnić strukturę spiralną. Jeśli kontrast prędkości między gazem a materią gwiazdową byłby duży w całym układzie, mogłoby to wywołać wzory fal uderzeniowych spiralnych, jak obserwuje się w rzeczywistości. Gdyby taki program był możliwy, moglibyśmy uzyskać bardziej realistyczne opisy galaktyk.

Przypisy

[1] PETIT J.P.: Efekt brakującej masy. Il Nuovo Cimento B, tom 109, lipiec 1994, str. 697–710 [2] PETIT J.P.: Kosmologia Wszechświata bliźniaczych. Astrophysics and Space Science, ..... (1995), 35 stron, zaakceptowane 8 lutego 1995. Wkrótce do wydania (przedsprawa dołączona) [3] Infeld, Phys.Rev. 68 (1945), str. 250–272 [4] Lévy-Leblond J.M. „Czy Wielki Wybuch miał początek?” Ann. J. Phys. 58 (1990), str. 156–159 [5] Misner „Absolutny czas zera” Phys. Rev. 186 (1969), str. 1328–1333 [6] Duke „Zasada maksimum i niezmienniczość względem przekształceń jednostek”. Phys. Rev. 125 (1961), str. 2163–2167 [7] B. Lindblad, Handbuch der Physik, 53, (1959), str. 21 [8] C.C. Lin i F.H. Shu: Astrophysics and Gen. Relat. tom 2, Gordon and Breach Sc. Publ. 1971, str. 235 [9] Toomree A. (1981) Struktura i dynamika galaktyk normalnych. Cambridge University Press, str. 111 [10] Toomree A. i Toomree J. (1972) Astrophys. J. 178, 623 [11] A. Toomree, Ann. Rev. Astronom. Astrophys. 15 (1977) 437 [12] E. Athanassoula: Spirale napędzane przez kompania i pręty. Międzynarodowa Unia Astronomiczna. Sympozjum nr 146 (1991) [13] A. Toomree Astrophys. J. 158 (1969) 89 [14] R.H. Miller i 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 i K.J. Donner: Galaktyki oddziaływające, Dynamika galaktyk dyskowych (1991), ed. Sundelius, str. 195 [18] S. Engström: Prędkości cech w symulacjach numerycznych, Dynamika galaktyk dyskowych (1991), ed. Sundelius, str. 332 [19] A. Toomree Ann. Rev. Astron. Astrophys. 15 (1977) 437. [20] S. Chapman i T.G. Cowling: Matematyczna teoria gazów niestacjonarnych. Cambridge University Press (1970) [21] R. Adler, M. Bazin & M. Schiffer: Wprowadzenie do ogólnej teorii względności. Mc Graw Hill 1975, str. 122–123 [22] J.P. Petit i P. Midy: Odrzutowa materia ciemna. Geometrical Physics A, 3, marzec 1998.

Podziękowania:

Praca ta została wspierana przez francuski CNRS oraz firmę A. Dreyer Brevets et Développement. Złożona w zaadresowanym i zapieczętowanym kopercie do Akademii Nauk w Paryżu, 1998.

Komentarze.

Praca ta pochodzi z 1994 roku. Była możliwa tylko dzięki temu, że Frédéric Landsheat, który wówczas był studentem niemieckiego centrum fizyki cząstek DAISY, miał dostęp do dużego systemu komputerowego. Praca została wykonana całkowicie w sposób tajny. Gdy po obronie pracy doktorskiej na temat systemów zbierania danych przeniósł się do innego centrum, ta działalność została przerwana. Od tej pory nie przeprowadzono żadnych dodatkowych badań, a nie udało się zainteresować francuskimi badaczami, dysponującymi odpowiednimi możliwościami obliczeniowymi, tym tematem badawczym.

Jeśli zespół, w Francji lub za granicą, chciałby wznowić te badania eksploracyjne, byłbym bardzo zadowolony. Praca ta została przesłana do wielu czasopism z recenzją, zawsze wraz z filmem pokazującym powstawanie galaktyki z prętem, mimo że był on bardzo sugerujący. Jednak żadne z nich nie przekazało jej do recenzenta, ograniczając się do stereotypowych odpowiedzi typu:

• Przepraszamy, nie publikujemy prac spekulacyjnych.

Ten eksperyment to jedynie bardzo pogrubiona szkic. Galaktyka nie jest, na długo od tego, systemem redukowanym do jednej populacji punktów masowych. Ponadto zjawisko struktury spiralnej nie dotyczy całej galaktyki, lecz przede wszystkim gazu międzygwiazdowego, podczas gdy populacja I jest znacznie mniej wrażliwa na to zjawisko. Trzeba więc rozważyć symulacje z dwiema populacjami, opisującymi samą galaktykę. Konieczne byłoby również przedstawienie galaktyki tak, jak wygląda jej zaciskanie przez materię cienia, jeśli ten model jest poprawny, czyli otoczoną materią odpychającą i stosunkowo ciepłą.

Parametry regulujące warunki początkowe są liczne. Stosunek średnich gęstości, prędkość chaotyczna w obu środowiskach, profil gęstości w galaktyce, profil prędkości. Przejście do trójwymiarowości napotyka problem niewystarczającej mocy obliczeniowej aktualnych systemów.

Co należy wyciągnąć z takiej studium?

• Scenariusz powstawania galaktyk spiralnych, zjawisko jest wtedy stałe, a nie „przejściowe”, jak w teorii francuskiej Françoise Combe. Struktura powstaje dość szybko, prawdopodobnie już w chwili powstania samej galaktyki.

• Trwałość takiej struktury przez dużą liczbę obrotów. Wiadomo, że inne modele napotykają trudności z utrzymaniem spirali. Jest to zjawisko rozpraszające, zarówno w fazie początkowej, przypominającej tarcie dynamiczne, jak i w następnej fazie dominowanej przez efekty przypływowe. Podczas spowalniania w pierwszej fazie moment pędu tracony przez galaktykę jest przekazywany otaczającej materii cienia. Następnie ten transfer pozostaje minimalny.

• Obecność materii cienia tworzy barierę potencjału na obwodzie, tam gdzie jej siła odpychająca jest największa (jak w zaciskaniu galaktyki, pozwalającym na wysokie prędkości na obwodzie, zob. artykuł „Odrzutowa materia ciemna”, Geometrical Physics A, 3). Może to wyjaśnić brak ucieczki punktów masowych przyspieszonych przez rozpraszanie.

• Ciekawe jest, że zmieniając nieco warunki początkowe (szczególnie stosunek mas) obserwujemy ewolucję struktury spiralnej w kierunku tak zwanego „prętowego kierownicy”, typowego dla obserwacji galaktyk.

• W pracach późniejszych zbadać będziemy skutki jednoczesnych fluktuacji metryk, które wpływają na zmianę stosunku widocznych mas dwóch gatunków. Gdy masa widoczna materii cienia maleje, zaciskanie ulega zaburzeniu i galaktyka rozpadnie się. Symulowaliśmy to zjawisko w 1994 roku i uzyskaliśmy obrazy galaktyk nieregularnych (choć nie można powiedzieć, że istnieje „typowa galaktyka nieregularna”). Zwiększenie masy widocznej materii cienia, które wydaje się być odpowiedzialne za zjawiska QSO i galaktyki Syferta dzięki jej działaniu na gaz międzygwiazdowy, mogłoby również, jeśli utrzymałoby się wystarczająco długo, przekształcić „prętowe kierownice” w galaktyki spiralne – ramiona w pewnym sensie „rozwinęłyby się”.

Niestety, tak fascynujące badania, które mogłyby stać się tematem wielu prac doktorskich, zostały tak zostawione bez dalszego rozwoju.