Pregúntele a Ethan: ¿Por qué las galaxias espirales están tan flojamente retorcidas?

Piensa en los objetos más grandes del cielo nocturno, cuyas imágenes viste. Sí, por supuesto, son completamente diferentes: estrellas moribundas, restos de supernovas, formando estrellas de nebulosa y cúmulos estelares, tanto antiguos como nuevos, pero nada supera la belleza de las galaxias espirales. Con miles de millones a trillones de estrellas, estos "universos insulares" exhiben una estructura única. La estructura es bastante misteriosa, si lo piensas, como pensó el lector Greg Rogers:

Lo que siempre me sorprendió de las galaxias espirales fueron sus mangas envueltas alrededor de ellas, no más de la mitad de la galaxia. Dado que la parte externa gira alrededor del núcleo más lentamente, uno esperaría encontrar galaxias cuyos brazos están envueltos muchas veces alrededor del núcleo. ¿El universo no tiene la edad suficiente para que aparezcan tantas galaxias girando en él?

Considere cualquier galaxia espiral que le guste, pero todas tendrán una estructura visible similar.















Varios brazos espirales se extienden hacia afuera desde el núcleo central, generalmente de dos a cuatro, envolviendo la galaxia a medida que se alejan del centro. Uno de los descubrimientos fantásticos de la década de 1970, que contradecía las expectativas, fue que la velocidad de las estrellas en sus órbitas alrededor de la galaxia no disminuye a medida que se alejan del núcleo, como sucede con los planetas del sistema solar que viajan en órbitas. más lento cuanto más lejos estén del centro. La velocidad de rotación de las estrellas permanece constante: esta es otra forma de decir que las curvas de rotación de las galaxias tienen un perfil plano.



Medimos esto estudiando las galaxias ubicadas en el borde y calculando qué desplazamiento rojo o azul muestran las estrellas en relación con su distancia desde el centro de la galaxia. Y aunque las velocidades de las estrellas individuales prácticamente no cambian, una estrella ubicada dos veces más lejos del centro gira a su alrededor dos veces más despacio, y se encuentra diez veces más lejos, diez veces más despacio.

Armado con esto, podemos calcular que para una galaxia como nuestra Vía Láctea, el Sol necesita 220 millones de años para completar una revolución alrededor de la galaxia. Dado que estamos ubicados aproximadamente a 26,000 años luz del centro de la Galaxia, nuestra posición está un poco más cerca de la mitad del centro hacia las afueras. Esto significa que dado que nuestra galaxia tiene aproximadamente 12 mil millones de años, las estrellas externas tuvieron que completar una revolución completa solo 25 veces. Las estrellas ubicadas al igual que el sol dieron 54 vueltas. Las estrellas dentro de un círculo con un radio de 10,000 años luz ya han completado más de 100 revoluciones. En otras palabras, podemos esperar que las galaxias giren con el tiempo, como se muestra en el siguiente video.



Pero como muestran las fotografías de galaxias, no giran muchas veces. ¡En la mayoría de los casos, las mangas ni siquiera envuelven la galaxia una vez! Cuando se descubrió por primera vez esta propiedad de las galaxias, significaba al menos lo siguiente: estos brazos espirales eran intangibles, esto era solo una apariencia. Y esto es así, independientemente de si las galaxias están aisladas o no. Pero hay algo más si te fijas bien.



¿Notó manchas rosadas a lo largo de las mangas? Aparecen donde hay regiones activas de la formación de nuevas estrellas. El punto rosa es el exceso de luz emitida a una longitud de onda muy específica: 656.3 nm. Esta radiación se produce cuando las nuevas estrellas arden lo suficientemente brillantes como para ionizar gases, y luego, cuando los electrones se unen con los protones, los átomos de hidrógeno recién formados emiten luz a una frecuencia determinada, incluida la que hace que estas regiones sean de color rosa.

Esto nos dice que estos brazos espirales consisten en regiones en las que la densidad del material es más alta que en otras partes de la galaxia, y que las estrellas entran y salen libremente de estos brazos con el tiempo.

Una idea que explica esto ha existido desde 1964, y se conoce como la teoría de las ondas de densidad.. La teoría afirma que las mangas permanecen en los mismos lugares con el tiempo, al igual que los atascos de tráfico permanecen en los mismos lugares. Los objetos individuales (estrellas en la galaxia, automóviles en la carretera) pueden moverse a través de ellos, pero casi el mismo número de objetos en cualquier momento siempre permanece en el tráfico. Debido a esto, la ubicación de las áreas densificadas permanece sin cambios.



La física del proceso es simple: las estrellas en ciertas regiones crean las fuerzas gravitacionales a las que estamos acostumbrados, y son ellas las que retienen la forma espiral. En otras palabras, si comenzamos con una región con mayor densidad de gas y dejamos que nuestro disco gire, obtendremos el conjunto inicial de regiones donde se forman las estrellas por primera vez: protofundas. Con la evolución de la galaxia, estos brazos, y regiones de mayor densidad, se conservan solo debido a los efectos de la gravedad.

Sorprendentemente, este efecto funciona igual de bien en presencia de materia oscura que rodea la galaxia en forma de halo gigante, y en su ausencia.


A la izquierda, una galaxia sin materia oscura, a la derecha, con materia oscura.

Y aunque los supuestos de la pregunta de Greg eran incorrectos, dado que las estrellas externas de la galaxia se mueven a la misma velocidad que las internas, las mangas nunca se envuelven, independientemente de la edad de la galaxia, simplemente debido a la física de la galaxia misma. Al igual que los atascos, las estrellas, el gas y el polvo atrapados en los brazos espirales en un momento dado se encuentran en un entorno más denso, y cuando salen de allí, aumenta la distancia entre ellos y otras estrellas: nuestro Sol está en esta posición hoy.

Source: https://habr.com/ru/post/es400801/