University of Arkansas astrofysiker har tagit ett viktigt steg mot att lösa mysteriet om hur skivgalaxer bibehåller formen på sina spiralarmar. Deras resultat stöder teorin att dessa armar skapas av en våg av tätare materia som skapar spiralmönstret när det färdas över galaxen.

"Strukturen av spiralarmar i skivgalaxer är ett mysterium, sa Ryan Miller, gästande biträdande professor i fysik. "Ingen vet vad som bestämmer formen på dessa spiraler, eller varför de har ett visst antal armar. Vår forskning ger ett tydligt svar på en del av det mysteriet."

Diskgalaxer, inklusive Vintergatan, omfattar 70 procent av kända galaxer. De kännetecknas av sina spiralformade armar, men astronomer är inte säkra på hur dessa bildas och upprätthåller sig själva.

Mysteriet börjar med en enkel paradox:stjärnor i en skivgalax kretsar kring en central massa som kallas en "galaktisk utbuktning, " och stjärnorna närmare mitten kretsar snabbare än stjärnorna mot kanten. Men, om spiralarmarna var sammansatta av en fast grupp stjärnor, de på mönstrets kanter skulle behöva täcka mer avstånd än stjärnorna i mitten för att behålla spiralmönstret. Som löpare i det yttre körfältet på en cirkulär bana, de skulle behöva röra sig snabbare för att behålla sin position i gruppen.

På 1960-talet astronomer föreslog "densitetsvågsteorin" för att förklara denna paradox. Teorin hävdar att skivgalaxernas armar inte är bildade av statiska buntar av stjärnor. Istället, dessa armar är vågor av tätare områden som rör sig genom stjärnorna. Stjärnorna rör sig i enlighet med fysikens lagar, och när de kretsar runt galaxens centrum, de möter dessa tätare områden.

Många astronomer har jämfört vågen av tätare materia med en trafikstockning där hastigheten för stjärnor som rör sig i en cirkel runt en galaxs centrum påverkas av den tätare materien på samma sätt som motorfordon påverkas av en överbelastad del av en galax. motorväg. De saktar ner när de möter trängseln och rör sig sedan lättare efter att ha tagit sig förbi trafikstockningen.

De tätare områdena påverkar också gasmoln som passerar genom dessa regioner. De blir komprimerade, kollapsar till nya stjärnor.

Miller arbetade med docenten Julia och Daniel Kennefick, postdoktor Rafael Eurfrasio, doktorand? Douglas Shields, och doktorander Mahamed Shameer Abdeen och Erik Monson, samt Benjamin Davis från Swinburne University of Technology i Australien, också en examen från U of A. De har publicerat sina resultat i Astrofysisk tidskrift .

Miller och hans kollegor gav stöd för teorin om densitetsvågor genom att titta på stjärnor i olika åldrar och jämföra deras lägen med den i centrum av densitetsvågen.

Enligt teorin, det skulle finnas en punkt på varje arm av galaxen där rotationshastigheten för densitetsvågen och stjärnornas hastighet är densamma. Detta kallas samrotationsradien. Stjärnor innanför samrotationsradien bör röra sig snabbare än densitetsvågen eftersom de är närmare mitten. Därför, ju äldre en stjärna blir, ju längre fram bör den resa från sin födelseplats nära vågen. På utsidan av samrotationsradien, där stjärnorna färdas långsammare än densitetsvågen, de äldre stjärnorna borde falla längre bakom vågen.

Forskarna undersökte bilder av galaxer i NASA/IPAC Extragalactic Database, som drivs av NASA Jet Propulsion Laboratory vid California Institute of Technology. För varje galax, de undersökte bilder av olika våglängder av ljus, representerar stjärnor i olika åldrar. De fann att varje grupp av stjärnor bildade en arm med en något annorlunda "stigningsvinkel, " som är armens vinkel i förhållande till galaxens centrum. Genom att jämföra dessa olika vinklar med vinkeln som bildas av densitetsvågens centrum, de visade att placeringen av dessa grupper av stjärnor matchar förutsägelsen av densitetsvågteorin.

Även om forskningen ger bevis för varför spiralarmarna behåller sin form, frågor kvarstår. Det är lätt att förstå varför en trafikstockning uppstår när du kommer till en bilolycka som minskade tre filer till ett, men att avgöra vad som skapar de tätare vågorna är fortfarande en öppen fråga.