cấu trúc xoắn ốc

cấu trúc xoắn ốc Vật chất vật chất ma quái thiên văn học.6:

Sự hình thành cấu trúc xoắn ốc. (trang 10)

10. Tác động của các tham số khác nhau.

Như đã đề cập trước đó, các giá trị tham số là rất nhạy cảm. Nếu đi quá xa khỏi các giá trị này, cấu trúc xoắn ốc sẽ không còn xuất hiện nữa. Không có trạng thái cân bằng nào được thiết lập. Chúng tôi đã thử thực hiện một số mô phỏng xung quanh các điều kiện tối ưu này. Dưới đây là tóm tắt kinh nghiệm thực nghiệm của chúng tôi:

• Tần số epicyclic quyết định số lượng cánh tay. Giá trị w = 1 cho cấu trúc hai cánh tay, trong khi w = 2 cho bốn cánh tay. Khi giá trị nằm giữa hai số nguyên, cấu trúc xoắn ốc trở nên rất không chắc chắn.

• Tỷ lệ giữa khối lượng âm và dương m kiểm soát độ cong của các cánh tay. Cấu trúc trong ví dụ trước tương ứng với m = 3.

Khi m < 3, vành đệm trở nên không ổn định và phân tán trước khi cấu trúc xoắn ốc hình thành. Điều này có nghĩa là quá trình phân tán (ma sát động lực học) làm nóng vật chất dương, khiến nó thoát ra khỏi vành đệm.

Khi m > 3, thiên hà sẽ ngày càng nhỏ gọn hơn. Một cấu trúc dạng tay lái xuất hiện khi m ≈ 5. Một thiên hà xoắn ốc có trục xuất hiện để hoàn thiện cấu trúc này. Với tỷ lệ khối lượng cao hơn nữa, cụm thiên hà bị nén quá mức và dường như không còn cấu trúc xoắn ốc nào khả thi (tuy nhiên, như đã nêu trước đó, điều này có thể là một hiện tượng giả tạo do số lượng điểm tương đối thấp).

Các mô hình thiên hà khác nhau được minh họa trong Hình 15 theo tỷ lệ khối lượng. Tác động của các tham số và (liên quan đến vận tốc nhiệt) chưa được khảo sát.

Hình 17: Sơ đồ thiết kế lớn so với tỷ lệ khối lượng.

11. Kết luận.

Những kết quả này trông khá thú vị, nhưng chúng ta cần khiêm tốn vì một số lý do. Trước hết, chúng ta đang làm việc với mô phỏng 2D chứ không phải 3D. Nói một cách nghiêm ngặt, điều này không mô tả hành vi của các điểm khối lượng nằm trong mặt phẳng, chìm trong trường hấp dẫn riêng của chúng, mà là hành vi của "dây" tương tác qua lực hấp dẫn (và lực chống hấp dẫn). Điều này xuất phát từ dạng phương trình Poisson (36), liên quan đến môi trường ba chiều. Chúng ta chỉ có thể hy vọng rằng các mô phỏng 3D hoàn chỉnh, áp dụng cho hệ phẳng với chuyển động theo phương z, sẽ cho ra kết quả tương tự.

Giả sử điều đó xảy ra. Mô hình này gợi ý một cơ chế mới có thể thúc đẩy cấu trúc xoắn ốc của thiên hà. Chúng tôi tìm thấy hai chế độ. Trước tiên, ma sát động lực học làm chậm lại lõi trung tâm. Sau đó, quá trình cộng hưởng hấp dẫn thúc đẩy hệ thống và hình thành các cánh tay do hiệu ứng thủy triều. Chúng không bị phân tán do hiệu ứng nhiệt như trong các nghiên cứu khác (vành đệm âm hoạt động như một rào cản và ngăn cản sự phân tán của chúng). Những cấu trúc này duy trì độ ổn định trong một số vòng quay đáng kinh ngạc (50 vòng). Trên thực tế, nguồn gốc của chúng khá khác biệt. Chúng tôi tìm thấy các cấu trúc dạng thanh, dạng tay lái. Có vẻ như đây là một hướng nghiên cứu hứa hẹn.

Mặt khác, "thiên hà 2D" này không có khí. Về cơ bản, nó gồm 10.000 "sao" hoặc "nhóm sao". Tương tác với tập hợp thứ hai gồm 10.000 đối tượng khác (có bản chất không được xác định rõ, ngoại trừ việc chúng có khối lượng âm) tạo ra hiệu ứng phi tuyến, hình thành mẫu xoắn ốc. Nếu chúng ta có thể thêm một lượng khí vào hệ thống này, có khối lượng dương (một bậc nhỏ hơn so với khối lượng "vật chất sao": 10.000 đối tượng khối lượng dương), và các phần tử của khí này có vận tốc nhiệt thấp hơn, thì khí này sẽ quay nhanh hơn để cân bằng lực hấp dẫn và bù đắp cho hiệu ứng áp suất yếu của chính nó. Khí này sẽ phản ứng với trường không đồng đều do "tập hợp sao" tạo ra và làm tăng cường cấu trúc xoắn ốc. Nếu sự chênh lệch vận tốc giữa khí và vật chất sao lớn ở mọi nơi, điều này sẽ tạo ra mẫu sóng xung kích xoắn ốc, như quan sát được. Nếu chương trình này có thể thực hiện được, chúng ta có thể đạt được mô tả thực tế hơn về một thiên hà.

Tài liệu tham khảo

[1] PETIT J.P.: Hiệu ứng khối lượng thiếu hụt. Il Nuovo Cimento B, Tập 109, tháng 7 năm 1994, trang 697–710
[2] PETIT J.P.: Vũ trụ song sinh trong vũ trụ học. Astrophysics and Space Science, ..... (1995), 35 trang, đã được chấp nhận ngày 8 tháng 2 năm 1995. Sẽ sớm được xuất bản (bản thảo đính kèm)
[3] Infeld, Phys.Rev. 68 (1945), trang 250–272
[4] Lévy-Leblond J.M. "Liệu Big Bang có thực sự bắt đầu không?" Ann. J. Phys. 58 (1990), trang 156–159
[5] Misner "Thời gian tuyệt đối bằng không" Phys. Rev. 186 (1969), trang 1328–1333
[6] Duke "Nguyên lý cực đại và bất biến dưới phép biến đổi đơn vị". Phys. Rev 125 (1961), trang 2163–2167
[7] B. Lindblad, Handbuch der Physik, 53, (1959), trang 21
[8] C.C. Lin và F.H. Shu: Astrophysics and Gen. Relat. Tập 2, Gordon and Breach Sc. Publ. 1971, trang 235
[9] Toomree A. (1981) Cấu trúc và động lực học của thiên hà bình thường. Nhà xuất bản Đại học Cambridge, trang 111
[10] Toomree A. và Toomree J. (1972) Astrophys. J. 178, 623
[11] A. Toomree, Ann. Rev. Astronom. Astrophys. 15 (1977) 437
[12] E. Athanassoula: Các xoắn ốc và thanh do thiên hà đồng hành gây ra. Hội nghị Thiên văn Quốc tế, Số 146 (1991)
[13] A. Toomree, Astrophys. J. 158 (1969) 89
[14] R.H. Miller và 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 và K.J. Donner: Thiên hà tương tác, Động lực học thiên hà đĩa (1991), biên tập bởi Sundelius, trang 195
[18] S. Engström: Tốc độ đặc trưng trong mô phỏng số học, Động lực học thiên hà đĩa (1991), biên tập bởi Sundelius, trang 332
[19] A. Toomree, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 15 (1977) 437
[20] S. Chapman và T.G. Cowling: Lý thuyết toán học về khí không đồng nhất. Nhà xuất bản Cambridge (1970)
[21] R. Adler, M. Bazin & M. Schiffer: Giới thiệu về thuyết tương đối tổng quát. Mc Graw Hill 1975, trang 122–123
[22] J.P. Petit và P. Midy: Vật chất tối đẩy. Vật lý hình học A, 3, tháng 3 năm 1998.

Lời cảm ơn:

Công trình này được tài trợ bởi CNRS Pháp và công ty A. Dreyer Brevets et Développement. Đã được gửi vào phong bì kín tại Viện Hàn lâm Khoa học Paris, năm 1998.

Phản hồi.

Công trình này được thực hiện từ năm 1994. Nó chỉ có thể thực hiện được nhờ Frédéric Landsheat, khi đó là sinh viên tại trung tâm vật lý hạt nhân Đức DAISY, có quyền truy cập vào một hệ thống máy tính lớn. Toàn bộ công việc được thực hiện một cách bí mật. Khi anh ấy bảo vệ luận án về hệ thống thu thập dữ liệu và chuyển sang một trung tâm khác, hoạt động này bị gián đoạn. Kể từ thời điểm đó, không có công trình bổ sung nào được thực hiện, và chúng tôi chưa thành công trong việc thu hút các nhà nghiên cứu Pháp, có đủ nguồn lực tính toán, quan tâm đến chủ đề nghiên cứu này.

Nếu một nhóm nghiên cứu, ở Pháp hoặc nước ngoài, muốn tiếp tục các nghiên cứu khám phá này, chúng tôi sẽ rất vui mừng. Công trình đã được gửi đến nhiều tạp chí có phản biện, luôn đi kèm với một đoạn phim minh họa sự hình thành thiên hà có trục. Dù đoạn phim rất gợi ý, nhưng không tạp chí nào chịu gửi cho phản biện, chỉ trả lời bằng những câu trả lời khuôn mẫu kiểu:

• Xin lỗi, chúng tôi không xuất bản các công trình mang tính suy đoán.

Bài nghiên cứu này chỉ là một bản phác thảo rất thô sơ. Một thiên hà không phải là hệ thống có thể rút gọn về một quần thể điểm khối lượng duy nhất. Hơn nữa, hiện tượng cấu trúc xoắn ốc không ảnh hưởng đến toàn bộ thiên hà, mà chủ yếu ảnh hưởng đến khí liên sao, trong khi quần thể I ít nhạy cảm hơn với hiện tượng này. Do đó, cần xem xét mô phỏng với hai quần thể, mô tả chính thiên hà. Cũng cần biểu diễn thiên hà theo cách mà sự giam giữ bởi vật chất ma quái, nếu mô hình này đúng, sẽ hiện ra — tức là được bao quanh bởi vật chất đẩy và tương đối nóng.

Các tham số điều chỉnh điều kiện ban đầu là rất nhiều: tỷ lệ mật độ trung bình, vận tốc dao động trong hai môi trường, hình dạng mật độ trong thiên hà, hình dạng vận tốc. Việc chuyển sang mô phỏng 3D đặt ra vấn đề về sức mạnh của hệ thống hiện tại, còn thiếu.

Vậy điều gì cần được ghi nhận từ một nghiên cứu như vậy?

• Một kịch bản hình thành thiên hà xoắn ốc, hiện tượng này là vĩnh viễn chứ không phải "tạm thời" như trong lý thuyết của Françoise Combe. Cấu trúc hình thành khá nhanh, có lẽ ngay từ khi thiên hà mới hình thành.

• Sự tồn tại bền vững của cấu trúc này trong một số vòng quay lớn. Ta biết rằng các mô hình khác gặp khó khăn trong việc duy trì cấu trúc xoắn ốc. Đây là một hiện tượng phân tán, dù ở giai đoạn đầu (gợi nhớ ma sát động lực học) hay giai đoạn sau (chi phối bởi hiệu ứng thủy triều). Trong giai đoạn đầu, khi có hiện tượng hãm, động lượng góc bị mất đi bởi thiên hà được chuyển sang vật chất ma quái xung quanh. Sau đó, quá trình chuyển giao này trở nên rất nhỏ.

• Sự hiện diện của vật chất ma quái tạo thành một rào cản thế năng ở rìa ngoài, nơi lực đẩy của nó mạnh nhất (giống như sự giam giữ thiên hà, cho phép vận tốc cực biên cao hơn — xem bài báo "Vật chất tối đẩy", Vật lý hình học A, 3). Điều này có thể giải thích tại sao các điểm khối lượng bị tăng tốc bởi quá trình phân tán không thoát ra ngoài.

• Thú vị là khi thay đổi một chút điều kiện ban đầu (đặc biệt là tỷ lệ khối lượng tham gia), ta thấy cấu trúc xoắn ốc tiến hóa thành dạng tay lái, một đặc điểm điển hình trong quan sát thiên hà.

• Trong các nghiên cứu sau này, chúng tôi sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của các dao động đồng thời trong các metric, có tác dụng làm thay đổi tỷ lệ khối lượng biểu kiến của hai loại. Khi khối lượng biểu kiến của vật chất ma quái giảm, sự giam giữ bị ảnh hưởng và thiên hà bị phân rã. Chúng tôi đã mô phỏng hiện tượng này vào năm 1994 và thu được hình ảnh các thiên hà không đều (nhưng không thể nói rằng có một "thiên hà không đều kiểu" nào đó). Một sự gia tăng khối lượng biểu kiến của vật chất ma quái, nếu có vẻ như chịu trách nhiệm cho các hiện tượng QSO và thiên hà Seyfert do tác động lên khí liên sao, cũng có thể, nếu duy trì đủ lâu, biến các "tay lái" thành thiên hà xoắn ốc, các cánh tay "giải nén" theo một cách nào đó.

Thật đáng tiếc khi những nghiên cứu thú vị như vậy, có thể làm nền tảng cho nhiều đề tài luận án, lại bị bỏ rơi như vậy.