螺旋结构

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

  • 该页面讨论了在天体物理学背景下螺旋结构的形成,特别是正负物质团块的动力学特性。
  • 模拟显示,物质团块的角动量在初始几圈中逐渐减少,当动力摩擦变得可忽略时,达到一个稳定的平台。
  • 采用傅里叶分析来识别螺旋结构,结果显示空间频率随时间发生变化。

螺旋结构 宇宙物理中的幽灵物质.6: 螺旋结构。(第9页)
8) 相互作用模式。

我们的模拟程序在每一步都计算星团的动量。如图14所示,前十个旋转周期内,该动量逐渐减小。我们观察到,当动力学摩擦变得可忽略不计、潮汐效应占主导地位时,动量会趋于稳定。

图14: 正质量星团动量随旋转圈数的变化。
与此同时,负质量晕通过引力不稳定性与共振过程形成自身的星团,而中心的正质量星团则因潮汐力作用形成旋臂。这些潮汐效应倾向于减缓中心星团的旋转,但其效率低于过程初期观察到的近距离动力学摩擦效应。图13-f展示了负质量晕经历星团化后的典型形态(但如上所述,这种星团化并非具有实际意义的现象)。
图15: 十圈后。负物质晕及其星团。

  1. 傅里叶分析

前述结果来自实验观察。我们的眼睛是识别螺旋结构的最佳工具。然而,F. Lansheat 对星团进行了空间傅里叶变换,清晰地揭示出一个信号。该变换首先作用于星团的一个半径方向,然后在360度范围内进行求和。图16展示了三个空间谱。此处空间频率以像素数的倒数表示,一个像素值对应我们计算网格中的最小距离。

图16(上):初始时刻(t=0)的星团被分配给正质量群体。晕的形状由二维爱丁顿方程给出。峰值对应星团的平均半径,此处为1/0.05 = 20像素。

图16(中):经过两个旋转周期后,动力学摩擦开始产生最初的不规则性。其尺度较小,峰值位置为0.2像素⁻¹,对应约5像素的宽度。

图16(下):此时潮汐效应起主导作用。空间谱的峰值位于0.12,对应约8像素的尺寸。该谱将在后续计算中保持不变。

图16: 星团的空间傅里叶变换。
这清晰地显示出旋臂结构的出现。