Fragen Sie Ethan: Warum sind Spiralgalaxien so locker verdreht?

Denken Sie an die größten Objekte des Nachthimmels, deren Bilder Sie gesehen haben. Ja, natürlich sind sie völlig anders - sterbende Sterne, Supernova-Überreste, die alte und neue Nebelsterne und Sternhaufen bilden -, aber nichts geht über die Schönheit von Spiralgalaxien. Diese „Inseluniversen“ enthalten Milliarden bis Billionen von Sternen und weisen eine einzigartige Struktur auf. Die Struktur ist ziemlich mysteriös, wenn man darüber nachdenkt - wie Leser Greg Rogers dachte:

Was mich an Spiralgalaxien immer überrascht hat, waren ihre Ärmel, die nicht mehr als die Hälfte der Galaxie um sie gewickelt waren. Da sich der äußere Teil langsamer um den Kern dreht, würde man erwarten, Galaxien zu finden, deren Arme viele Male um den Kern gewickelt sind. Ist das Universum nicht alt genug, um so viele wirbelnde Galaxien darin zu erscheinen?

Betrachten Sie alle Spiralgalaxien, die Sie mögen, aber alle haben eine ähnliche sichtbare Struktur.















Mehrere Spiralarme erstrecken sich vom zentralen Kern nach außen - normalerweise zwei bis vier - und wickeln sich um die Galaxie, wenn sie sich vom Zentrum entfernen. Eine der fantastischen Entdeckungen der 1970er Jahre, die den Erwartungen widersprachen, war, dass die Geschwindigkeit der Sterne in ihren Umlaufbahnen um die Galaxie nicht abnimmt, wenn sie sich vom Kern entfernen - wie es bei Planeten im Sonnensystem der Fall ist, die sich in Umlaufbahnen bewegen langsamer, je weiter sie vom Zentrum entfernt sind. Die Rotationsgeschwindigkeit der Sterne bleibt konstant - dies ist eine andere Art zu sagen, dass die Rotationskurven von Galaxien ein flaches Profil haben.



Wir haben dies gemessen, indem wir die Galaxien untersucht haben, die sich am Rand befinden, und berechnet haben, welche Rot- oder Blauverschiebung die Sterne in Bezug auf ihre Entfernung vom Zentrum der Galaxie zeigen. Und obwohl sich die Geschwindigkeiten einzelner Sterne praktisch nicht ändern, dreht sich ein Stern, der zweimal weiter vom Zentrum entfernt ist, zweimal langsamer um ihn und einer Stern zehnmal weiter - zehnmal langsamer.

Damit können wir berechnen, dass die Sonne für eine Galaxie wie unsere Milchstraße 220 Millionen Jahre benötigt, um eine Umdrehung um die Galaxie zu vollenden. Da wir uns ungefähr 26.000 Lichtjahre vom Zentrum der Galaxie entfernt befinden, ist unsere Position etwas näher als auf halber Strecke vom Zentrum bis zum Stadtrand. Dies bedeutet, dass externe Sterne, da unsere Galaxie etwa 12 Milliarden Jahre alt ist, nur 25 Mal eine vollständige Umdrehung durchführen mussten. Sterne, die sich genau wie die Sonne befanden, machten 54 Umdrehungen. Sterne innerhalb eines Kreises mit einem Radius von 10.000 Lichtjahren haben bereits mehr als 100 Umdrehungen vollendet. Mit anderen Worten, wir können erwarten, dass sich die Galaxien im Laufe der Zeit drehen, wie im folgenden Video gezeigt.



Aber wie Fotos von Galaxien zeigen, drehen sie sich nicht oft. In den meisten Fällen umhüllen die Ärmel die Galaxie nicht einmal! Als diese Eigenschaft von Galaxien zum ersten Mal entdeckt wurde, bedeutete dies zumindest Folgendes: Diese Spiralarme waren immateriell, dies war nur eine Erscheinung. Und das ist so, unabhängig davon, ob die Galaxien isoliert sind oder nicht. Aber es gibt noch etwas anderes, wenn Sie genau hinschauen.



Haben Sie rosa Flecken an den Ärmeln bemerkt? Sie erscheinen dort, wo es aktive Regionen für die Bildung neuer Sterne gibt. Der rosa Punkt ist der Überschuss an emittiertem Licht bei einer sehr spezifischen Wellenlänge: 656,3 nm. Diese Strahlung tritt auf, wenn neue Sterne hell genug brennen, um Gase zu ionisieren, und wenn sich Elektronen mit Protonen wieder vereinigen, emittieren neu gebildete Wasserstoffatome Licht mit einer bestimmten Frequenz, einschließlich derjenigen, die diese Regionen rosa macht.

Dies zeigt uns, dass diese Spiralarme aus Regionen bestehen, in denen die Dichte des Materials höher ist als in anderen Teilen der Galaxie, und dass Sterne im Laufe der Zeit frei in diese Arme eintreten und diese verlassen.

Eine Idee, die dies erklärt, existiert seit 1964 und ist als Theorie der Dichtewellen bekannt. Die Theorie besagt, dass die Ärmel im Laufe der Zeit an denselben Orten bleiben, genauso wie Staus an denselben Orten bleiben. Einzelne Objekte (Sterne in der Galaxie, Autos auf der Straße) können sich durch sie bewegen, aber es bleibt immer ungefähr die gleiche Anzahl von Objekten im Verkehr. Aus diesem Grund bleibt die Lage der verdichteten Bereiche unverändert.



Die Physik des Prozesses ist einfach: Die Sterne in bestimmten Regionen erzeugen die Gravitationskräfte, an die wir gewöhnt sind, und sie behalten die Spiralform bei. Mit anderen Worten, wenn wir mit einer Region mit erhöhter Gasdichte beginnen und unsere Scheibe drehen lassen, erhalten wir den ersten Satz von Regionen, in denen sich zum ersten Mal Sterne bilden: Proto-Hülsen. Mit der Entwicklung der Galaxie bleiben diese Arme - und Regionen mit erhöhter Dichte - nur aufgrund der Auswirkungen der Schwerkraft erhalten.

Überraschenderweise funktioniert dieser Effekt genauso gut in Gegenwart dunkler Materie, die die Galaxie in Form eines riesigen Halos umgibt, und in Abwesenheit.


Links - eine Galaxie ohne dunkle Materie, rechts - mit dunkler Materie

Und obwohl die Annahmen von Gregs Frage falsch waren, da sich die äußeren Sterne der Galaxie mit der gleichen Geschwindigkeit wie die inneren bewegen, wickeln sich die Arme unabhängig vom Alter der Galaxie nie wirklich, nur aufgrund der Physik der Galaxie selbst. Wie Staus befinden sich Sterne, Gas und Staub, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in Spiralarmen eingeschlossen sind, in einer dichteren Umgebung, und wenn sie von dort ausbrechen, nimmt der Abstand zu anderen Sternen zu - unsere Sonne befindet sich heute in dieser Position.

Source: https://habr.com/ru/post/de400801/