La struttura a spirale La natura dei bracci a spirale The winding dilemma Cosa scatena la formazione...
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La struttura a spirale La natura dei bracci a spirale The winding dilemma Cosa scatena la formazione simultanea di stelle in un fronte cosi' lungo e stretto come il braccio a spirale? La materia da cui si formano le stelle (gas e polvere) si trova proporio nel braccio, quindi... Il braccio e' fatto di materia FALSO! FALSO!
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La struttura a spirale
La natura dei bracci a spiraleThe winding dilemma
Cosa scatena la formazione simultanea di stelle in un fronte cosi' lungo e stretto come il braccio a spirale?
La materia da cui si formano le stelle (gas e polvere) si trova proporio nel braccio, quindi...Il braccio e' fatto di materiaFALSO!
FALSO!
La struttura a spirale
La natura dei bracci a spiraleThe winding dilemma
•
+ • • •
•••
•
•
•
Tempo 2
Tempo 3
Tempo 1
Dopo un'orbita, la nube ha gia' creato un "ricciolo"
Una nube impiega ~ 108 anni per fare un giro
L'eta' della Galassia e' di ~ 1010 anni
100 "riccioli"?....NO! (Attorcigliamento)
I bracci di solito hanno ~ 2 "riccioli"
?
La struttura a spirale
La natura dei bracci a spiraleThe winding dilemma
Il braccio nelle galassie a spirale non e' di materia. Il braccio e' un'onda di densita' mantenuta dall'auto-
gravita' della distribuzione su larga scala della materia(Lin & Shu 1963, seguendo Lindblad B. & Lindblad P.O.)
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'(idea di base)
Immaginiamo:- Le stelle sono come auto in differenti corsie circolari in moto differenziale- Ci sono i lavori in corso in una delle corsie- In quel punto abbiamo un ingorgo: le auto si compattano, poi si sgranano e
poi, NUOVE auto si ri-compattano- Le macchine fluiscono attraverso i lavori, ma per chi osserva dall'alto (es. Un
da un elicottero) il compattamento avviene sempre in quel punto (quello dei lavori in corso)
- I lavori procedono lungo la corsia
La velocita' delle macchine e' (solitamente) diversa da quella alla quale procedono i lavori
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'(idea di base)
La Metafora
L'ingorgo (il braccio-onda) e' l'onda di densita' di macchine (stelle)
La velocita' del massimo di densita' (la velocita' dell'onda) puo' essere diversa dalla velocita' delle singole auto (la velocita' del materiale)
Ma cosa causa l'ingorgo?Cos'e' rappresentano i lavori in corso?
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Il campo gravitazionale causato dal fatto che la Galassia a spirale NON ha una distribuzione di materia
perfettamente assi-simmetrica
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Orbita media di una stella (o nube di gas) in un disco galattico imperturbato = moto circolare attorno ad un centro con velocita' Ω
+
(a)
01 F
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Campo gravitazionale perturbante = periodico in t (tempo) e in φ (azimuth)
+
(b)
)cos(1 mAF
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Moto risultante nel sistema di riferimento (s.d.r.) corotante con la perturbazione (velocita' angolare Ωp = ω/m), ossia il campo perturbante e'
indipendente dal tempo
La risposta stazionaria in questo s.d.r. e' una rotazione media con V angolare relativa = Ω- Ωp che porta l'oggetto attorno ad un cerchio distorto che contiene m "dossi"Per m=2, il cerchio distorto e' un ovale (nel s.d.r. Ωp). Applicando la perturbazione a diversi raggi r, si ottengono:
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Ovali concentrici : se la fase del campo perturbante e' = per tutti gli r(osservato nel centro di molte galassie)
(c)
)cos()(1 mrAF
m=2
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Una spirale a due bracci : se la fase angolare ha una variazione monotonica Φ(r) a diversi r
(d)
))(cos()(1 rmrAF m=2
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
+
(a)
01 F
+
(b)
)cos(1 mAF
(c)
)cos()(1 mrAF
(d)
))(cos()(1 rmrAF m=2
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
L'essenza della teoria delle onde di densita' e': - trovare la forma funzionale della funzione di fase, Φ(r), e di ampiezza, A(r), in modo che la perturbazione sia un "modo normale" dell'oscillazione del sistema.
Per un tale modo normale, il campo gravitazionale disturbante associato con la distribuzione non
assisimmetrica di materia e' precisamente uguale al campo perturbante richiesto per provocare la risposta
non assi-simmetrica in primo luogo.
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Campo gravitazionale risultante dovuto a stelle e
gas
Risposta in densita' del disco stellare
Risposta in densita' del disco gassoso
Risposta totale nella distribuzione di materia nel
disco
Materiale totale necessario per mantenere il campo gravitazionale risultante
Quetsa equazione serve a specificare completamente le
proprieta' dell'onda, e quindi, la forma della spirale
+
=
=
Forma perturbata dell'equazione di Boltzmann nell'ipotesi di assenza collisionale
Fluido-idrodinamica
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Calcoli del modo normale: es. Toomre; Lin; et al.Alcuni dei modi a spirale sono leggermente instabili e la
loro amplitudine tende a crescere spontaneamente
Barre (Merging)
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Spirali con un'unica, chiara struttura a bracci (un solo
modo normale dominante?)
Spirali molti-bracci e filamentari (sovrapposizione
di molti modi normali "puri"?)
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Fra tutti i dubbi una delle deduzioni che sembra piu' solida e confermata dalle osservazioni e' che:
Le strutture a due bracci sono dominantiLe strutture a due bracci sono dominanti
La teoria delle onde di densita' prevede che strutture dell'onda possano esistere solo dove la velocita' della perturbazione e':
mp /
La struttura a spirale
La teoria delle onde di densita'
Risonanza interna di Lindblad: il raggio per cui
Risonanza esterna di Lindblad: il raggio per cui
mp /
mp /
Range principalePer m=3,4,.. E' piccolo (poco probabili)Per m=0 L'effetto e' simile al disco in equilibrioPer m=1 Il tasso di crescita minore
Le onde di spirali a due bracci dominano perche:1. Crescono molto prima di saturare2. Hanno un range principale grande3. La risposta dell'ISM le rende "visibili" (vedi dopo)
La struttura a spirale
Perche' la struttura a spirale?
La motivazione di base perche' una galassia che ruota velocemente e con rotazione differenziale generi onde di spirale e' il tentativo della galassia
a guadagnare energia "legante" per le sue parti interne.
L'idea e' simile, MA DIVERSA da quella della stella.La conservazione del momento angolare non permette di contrarre a piacere le parti interne della galassia (la contrazione aumenta la rotazione, e quindi la forza centrifuga).
L'onda di densita' della spirale (trailing) e' esattamente cio' che permette di trasferire via il momento angolare.
Quello che nei dischi di accrescimento stellari viscosi fa l'attrito, nei dischi galattici ("encounterless") fa l'auto-gravita' di un modo normale non-assisimmetrico dell'oscillazione.
La struttura a spirale
La nascita delle stelle nei bracci a spirale
La proposta teorica che la struttura a spirale sia un fenomeno ondulatorio e' verificato da alcune osservazioni:
• Studi della struttura di alcune spirali esterne (vedi dopo)
• La differenza di massa fra i bracci e quella media dei dischi e' piccola, ma la luce visibile (soprattutto nel blue) e' molto maggioreIl gas e la polvere dell'ISM hanno velocita' randomatiche piu' piccole di quelle delle stelle di disco e quindi rispondono piu' non-linearmente all'onda di densita' di piccola ampiezza (Prendergast...Fujimoto & Roberts).
-90 -60 -30 0 30 60 90
5
4
3
2
1
Angolo azimutale (o)
Com
pre
ssio
ne
del
la d
ensi
ta' s
up
erfi
cial
e12832
8
Shock Galattico
La struttura a spirale
La nascita delle stelle nei bracci a spirale
Velocita' di dispersione tipiche:- 128 km/s per le stelle dell'alone (nessuna struttura a spirale)- 32 km/s per le stelle di disco (debole struttura a spirale)- 8 km/s gas interstellare (struttura a spirale pronunciata; shock e
incremento nello SFR dietro di esso)
Tutto vero!!!
Il processo di formazione stellare e' complesso: Instabilita' di Parker, Massa di Jeans, etc...
La struttura a spirale
La nascita delle stelle nei bracci a spirale
E la polvere?
Ci aspettiamo che anch'essa si comprima e accumuli dietro lo shock, ossia nella parte interna
del braccio
Vero anche questo!!!
Le bande di polvere ci danno un'indicazione dell'inclinazione e del senso di rotazione della struttura a spirale
Bande di polveri
Bulge
Lato vicino
Lato lontano
La struttura a spirale
La nascita delle stelle nei bracci a spirale
Le osservazioni inteferometriche radioastronomiche dell'idrogeno atomico hanno permesso di paragonare densita' e campi di velocita' teorici e osservativi (es. M81; Rots, Shane, & Visser)
Buon accordo!!!
E nella nostra Galassia???
La struttura a spirale
La struttura a spirale
