Datorsimuleringar visar astrofysiker hur massiva gasklumpar i galaxer sprider några stjärnor från deras banor, så småningom skapa det smidiga, exponentiell blekning i ljusstyrkan hos många galaxskivor.

Forskare från Iowa State University, University of Wisconsin-Madison och IBM Research har avancerade studier som de startade för nästan 10 år sedan. De fokuserade ursprungligen på hur massiva klumpar i unga galaxer påverkar stjärnbanor och skapar galaxskivor med ljusa centra som bleknar till mörka kanter.

(Som Curtis Struck, en Iowa State professor i fysik och astronomi, skrev i en forskningssammanfattning från 2013:"I galaxskivor, ärren från en tuff barndom, och ungdomars fläckar, allt jämnar ut med tiden.")

Nu, gruppen har varit medförfattare till en ny artikel som säger att deras idéer om bildandet av exponentialskivor gäller mer än unga galaxer. Det är också en process som är robust och universell i alla typer av galaxer. De exponentiella skivorna, trots allt, är vanliga i spiralgalaxer, dvärg elliptiska galaxer och några oregelbundna galaxer.

Hur kan astrofysiker förklara det?

Genom att använda realistiska modeller för att spåra stjärnspridning inom galaxer, "Vi känner att vi har en mycket djupare förståelse för de fysiska processerna som löser detta nästan 50-åriga nyckelproblem, " sa Struck.

Gravitationsimpulser från massiva klumpar förändrar stjärnornas banor, fann forskarna. Som ett resultat, skivans totala stjärnfördelning ändras, och den exponentiella ljusstyrkaprofilen är en återspegling av den nya stjärnfördelningen.

Astrofysikernas fynd rapporteras i en tidning som just publicerats online av Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society . Medförfattare är Struck; Jian Wu, en doktorand i Iowa State i fysik och astronomi; Elena D'Onghia, en docent i astronomi vid Wisconsin; och Bruce Elmegreen, en forskare vid IBM:s Thomas J. Watson Research Center i Yorktown Heights, New York.

Stjärnor är utspridda, skivorna jämnas ut

Den senaste datormodelleringen – ledd av Wu – är en slutsten som toppar år av modellförbättringar, sa Struck. Tidigare modeller behandlade gravitationskrafterna hos galaxkomponenter mer ungefär, och forskare studerade färre fall.

De senaste modellerna visar hur stjärnhopar och klumpar av interstellära gaser i galaxer kan förändra omloppsbanorna för närliggande stjärnor. Vissa stjärnspridningshändelser förändrar stjärnbanorna avsevärt, till och med fånga några stjärnor i slingor runt massiva klumpar innan de kan fly till det allmänna flödet av en galaxskiva. Många andra spridningshändelser är mindre kraftfulla, med färre stjärnor utspridda och banor förblir mer cirkulära.

"Spridningens natur är mycket mer komplex än vi tidigare förstått, " sa Struck. "Trots all denna komplexitet i små skalor, det ger fortfarande i genomsnitt den jämna ljusfördelningen på stora skalor."

Modellerna säger också något om den tid det tar för dessa exponentialgalaxskivor att bildas, enligt forskarnas papper. Typerna av klumpar och skivornas initiala tätheter påverkar evolutionens hastighet, men inte den slutliga jämnheten i ljusstyrkan.

Hastighet i det här fallet är en relativ term eftersom tidsskalorna för dessa processer är miljarder år.

Under alla dessa år, och även med modellgalaxer där stjärnor initialt är fördelade på en mängd olika sätt, Wu sa att modellerna visar överallt i processen för stjärnspridning-till-exponentiell falloff.

"Stjärnspridning är mycket allmän och universell, " sade han. "Det fungerar för att förklara bildandet av exponentiella diskar i så många fall."