Teoria da onda de densidade

Explicação dos braços da galáxia espiral.

Meios de reprodução

Simulação de uma galáxia com um padrão de braços espiral simples. Embora os braços espirais não girem, a galáxia gira. Se você observar de perto você verá estrelas se movendo para dentro e para fora dos braços espirais conforme o tempo avança.

Originalmente, astrônomos tinham a idéia de que os braços de uma galáxia espiral eram materiais. Entretanto, se este fosse o caso, então os braços se tornariam cada vez mais feridos, já que a matéria mais próxima do centro da galáxia gira mais rápido do que a matéria na borda da galáxia. Os braços tornar-se-iam indistinguíveis do resto da galáxia após apenas algumas órbitas. Isto é chamado de problema sinuoso.

Lin & Shu propôs em 1964 que os braços não eram materiais na natureza, mas sim compostos de áreas de maior densidade, semelhante a um engarrafamento numa auto-estrada. Os carros movem-se através do engarrafamento: a densidade dos carros aumenta no meio do engarrafamento. O próprio engarrafamento de trânsito, porém, move-se mais lentamente. Na galáxia, estrelas, gás, poeira e outros componentes movem-se através das ondas de densidade, são comprimidos, e depois saem delas.

Mais especificamente, a teoria das ondas de densidade argumenta que a “atração gravitacional entre estrelas em raios diferentes” evita o chamado problema de enrolamento, e na verdade mantém o padrão espiral.

A velocidade de rotação dos braços é definida para ser Ω g p {\displaystyle \mega _{\gp}}

$\\Omega _{{{\gp}}$

, a velocidade do padrão global. (Assim, dentro de um certo quadro de referência não-inercial, que gira em Ω g p {\i1}Omega _{\i}}

$\\Omega _{{{gp}}$

, os braços espirais parecem estar em repouso). As estrelas dentro dos braços não são necessariamente estacionárias, embora a uma certa distância do centro, R c {{\i1}displaystyle R_{c}}

$R_{{{c}}$

, o raio de coroação, as estrelas e as ondas de densidade movem-se em conjunto. Dentro desse raio, as estrelas movem-se mais rapidamente ( Ω > Ω g p {\i}displaystyle {\i}Omega >\i}Omega _{\i}}

$\\Omega _{{\gp}$

) do que os braços em espiral, e fora, as estrelas movem-se mais lentamente ( Ω < Ω g p {\gp {\gp}\gp}

$\\Omega _{{\gp}}$

). Para uma espiral m-armed, uma estrela no raio R a partir do centro irá mover-se através da estrutura com uma frequência m ( Ω g p – Ω ( R ) ) m(Omega _{\gp}- Omega (R))}

$m(Omega _{\gp}- Omega (R))$

. Assim, a atração gravitacional entre as estrelas só pode manter a estrutura espiral se a freqüência com que uma estrela passa pelos braços for menor que a freqüência epicíclica, κ ( R ) {\i1}displaystyle {\i1}kappa (R)}

$\kappa (R)$

, da estrela. Isto significa que uma estrutura espiral de longa duração só existirá entre a ressonância interna e externa Lindblad (ILR, OLR, respectivamente), que são definidas como os raios tais que: Ω ( R ) = Ω g p + κ / m {\displaystyle \mega (R)=\mega _{\gp}+\kappa /m}

$\\Omega (R)=\Omega _{{\gp}+\kappa /m$

e Ω ( R ) = Ω g p – κ / m {\displaystyle \Omega (R)=\Omega _{\gp}-kappa /m}

$\\Omega (R)=\Omega _{{{gp}}-kappa /m$

, respectivamente. Passando o OLR e dentro do ILR, a densidade extra nos braços em espiral puxa mais frequentemente do que a taxa epicíclica das estrelas, e as estrelas são assim incapazes de reagir e mover-se de forma a “reforçar o aumento da densidade em espiral”.

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Animação 1: Se os braços espirais fossem concentrações de massa rígida, a galáxia deveria girar como um todo ao redor de seu centro, a fim de manter sua estrutura espiral. De acordo com a observação de Lindblad e as leis da física este não é o caso.
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Animação 2: A rotação diferencial como observada por Lindblad dissolveria os braços espirais num curto período de tempo se eles fossem compostos por concentrações de massa fixa.
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Animação 3: As órbitas previstas pela teoria da onda de densidade permitem a existência de braços espirais estáveis. As estrelas entram e saem dos braços espirais à medida que orbitam a galáxia.

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