Demandez à Ethan: Pourquoi les galaxies spirales sont-elles si tordues?

Pensez aux plus grands objets du ciel nocturne, dont vous avez vu les images. Oui, bien sûr, ils sont complètement différents - étoiles mourantes, restes de supernovae, formant des étoiles de nébuleuses et des amas d'étoiles, anciens et nouveaux - mais rien ne vaut la beauté des galaxies spirales. Contenant des milliards à des milliards d'étoiles, ces «univers insulaires» présentent une structure unique. La structure est plutôt mystérieuse, si vous y réfléchissez - comme le pensait le lecteur Greg Rogers:

Ce qui m'a toujours surpris à propos des galaxies spirales, c'est que leurs manches enroulées autour d'elles ne dépassent pas la moitié de la galaxie. Puisque la partie externe tourne plus lentement autour du noyau, on s'attendrait à trouver des galaxies dont les bras sont enroulés plusieurs fois autour du noyau. L'Univers n'est-il pas assez vieux pour que tant de galaxies tourbillonnantes y apparaissent?

Considérez toutes les galaxies spirales que vous aimez, mais elles auront toutes une structure visible similaire.















Plusieurs bras en spirale s'étendent vers l'extérieur du noyau central - généralement deux à quatre - s'enroulant autour de la galaxie lorsqu'ils s'éloignent du centre. L'une des découvertes fantastiques des années 1970, qui a contredit les attentes, a été que la vitesse des étoiles sur leurs orbites autour de la galaxie ne diminue pas lorsqu'elles s'éloignent du noyau - comme cela arrive avec les planètes du système solaire qui voyagent sur des orbites. plus ils sont éloignés du centre. La vitesse de rotation des étoiles reste constante - c'est une autre façon de dire que les courbes de rotation des galaxies ont un profil plat.



Nous avons mesuré cela en étudiant les galaxies qui nous sont situées par le bord et en calculant le décalage rouge ou bleu que les étoiles montrent par rapport à leur distance du centre de la galaxie. Et bien que les vitesses des étoiles individuelles ne changent pratiquement pas, une étoile située deux fois plus loin du centre tourne autour d'elle deux fois plus lentement, et une étoile située dix fois plus loin - dix fois plus lentement.

Armé de cela, nous pouvons calculer que pour une galaxie comme notre Voie lactée, le Soleil a besoin de 220 millions d'années pour accomplir une révolution autour de la galaxie. Comme nous sommes situés à environ 26 000 années-lumière du centre de la Galaxie, notre position est un peu plus proche que la moitié du centre vers la périphérie. Cela signifie que puisque notre galaxie a environ 12 milliards d'années, les étoiles externes n'ont dû effectuer une révolution complète que 25 fois. Les étoiles situées comme le soleil ont fait 54 tours. Les étoiles à l'intérieur d'un cercle d'un rayon de 10 000 années-lumière ont déjà accompli plus de 100 révolutions. En d'autres termes, nous pouvons nous attendre à ce que les galaxies tournent au fil du temps, comme le montre la vidéo ci-dessous.



Mais comme le montrent les photographies des galaxies, elles ne tournent pas souvent. Dans la plupart des cas, les manches n'enveloppent même pas la galaxie une seule fois! Lorsque cette propriété des galaxies a été découverte pour la première fois, cela signifiait au moins ce qui suit: ces bras en spirale étaient intangibles, ce n'était qu'une apparence. Et c'est le cas, que les galaxies soient isolées ou non. Mais il y a autre chose si vous regardez attentivement.



Vous avez remarqué des taches roses le long des manches? Ils apparaissent là où il y a des régions actives de formation de nouvelles étoiles. Le point rose est l'excès de lumière émise à une longueur d'onde très spécifique: 656,3 nm. Ce rayonnement se produit lorsque de nouvelles étoiles brûlent suffisamment pour ioniser les gaz, puis lorsque les électrons se réunissent avec des protons, les atomes d'hydrogène nouvellement formés émettent de la lumière à une certaine fréquence, y compris celle qui rend ces régions roses.

Cela nous indique que ces bras en spirale sont constitués de régions dans lesquelles la densité du matériau est plus élevée que dans d'autres parties de la galaxie, et que les étoiles entrent et sortent librement de ces bras au fil du temps.

Une idée expliquant cela existe depuis 1964 et est connue sous le nom de théorie des ondes de densité. La théorie stipule que les manchons restent aux mêmes endroits au fil du temps, tout comme les embouteillages restent aux mêmes endroits. Des objets individuels (étoiles dans la galaxie, voitures sur la route) peuvent se déplacer à travers eux, mais il reste toujours à peu près le même nombre d'objets à tout moment dans la circulation. De ce fait, l'emplacement des zones densifiées reste inchangé.



La physique du processus est simple: les étoiles dans certaines régions créent les forces gravitationnelles auxquelles nous sommes habitués, et ce sont elles qui conservent la forme en spirale. En d'autres termes, si nous commençons par une région avec une densité de gaz accrue et que notre disque tourne, nous obtiendrons l'ensemble initial de régions où les étoiles se forment pour la première fois: des proto-manches. Avec l'évolution de la galaxie, ces bras - et régions de densité accrue - ne sont préservés que grâce aux effets de la gravité.

Étonnamment, cet effet fonctionne tout aussi bien en présence de matière noire entourant la galaxie sous la forme d'un halo géant, et en son absence.


A gauche - une galaxie sans matière noire, à droite - avec de la matière noire

Et bien que les hypothèses de la question de Greg soient incorrectes, puisque les étoiles extérieures de la galaxie se déplacent à la même vitesse que les étoiles intérieures, les bras ne s'enroulent jamais vraiment, quel que soit l'âge de la galaxie, simplement à cause de la physique de la galaxie elle-même. Comme les embouteillages, les étoiles, le gaz et la poussière emprisonnés dans les bras en spirale à un moment donné se trouvent dans un environnement plus dense, et lorsqu'ils éclatent là-bas, la distance entre eux et les autres étoiles augmente - c'est également la position de notre Soleil.

Source: https://habr.com/ru/post/fr400801/