Spiral Arms และ Barred Galaxies

Linas Juozenas

ทฤษฎีการก่อตัวของรูปแบบเกลียวและบทบาทของแท่งในการกระจายก๊าซและดาวใหม่

กาแล็กซีมักแสดงโครงสร้างแขนเกลียวที่น่าประทับใจหรือแท่งกลาง—คุณลักษณะไดนามิกที่ดึงดูดทั้งนักดาราศาสตร์มืออาชีพและผู้ชมดาวทั่วไป ใน spiral galaxies แขนจะติดตามบริเวณก่อตัวดาวที่สว่างไสวซึ่งหมุนรอบศูนย์กลาง ขณะที่ barred spirals มีลักษณะดาวยาวที่ข้ามนิวเคลียส โครงสร้างเหล่านี้ไม่ใช่แค่การประดับที่นิ่งเฉย แต่สะท้อนฟิสิกส์แรงโน้มถ่วงที่ดำเนินอยู่ การไหลของก๊าซ และกระบวนการก่อตัวดาวภายในดิสก์ ในบทความนี้ เราจะสำรวจว่ารูปแบบเกลียวก่อตัวและคงอยู่ได้อย่างไร ความสำคัญของแท่งกาแล็กซี และวิธีที่ปรากฏการณ์ทั้งสองนี้มีผลต่อการกระจายของก๊าซ ดาว และโมเมนตัมเชิงมุมในช่วงเวลาคอสมิก

1. แขนเกลียว: ภาพรวม

1.1 คุณลักษณะการสังเกต

กาแล็กซีเกลียวมักมีรูปร่างเป็นแผ่นดิสก์พร้อมแขนที่เด่นชัดซึ่งพันออกจากแกนกลาง แขนเหล่านี้มักปรากฏเป็นสีน้ำเงินหรือสว่างในภาพแสงที่มองเห็น ซึ่งเน้นการก่อตัวของดาวที่กำลังเกิดขึ้น จากการสังเกต เราจัดประเภทเกลียวเหล่านี้เป็น:

เกลียวแกรนด์ดีไซน์: แขนไม่กี่แขนที่ชัดเจนและต่อเนื่องซึ่งยืดออกอย่างชัดเจนรอบดิสก์ (เช่น M51, NGC 5194)
เกลียวฟลอคคูเลนต์: หลายส่วนที่เป็นแพทช์โดยไม่มีโครงสร้างทั่วโลกที่ชัดเจน (เช่น NGC 2841)

แขนเป็นที่ตั้งของ บริเวณ H II, กลุ่มดาวอายุน้อย และกลุ่มก๊าซโมเลกุล เน้นบทบาทสำคัญในการรักษาประชากรดาวใหม่

1.2 ปัญหาการพันตัว

ความท้าทายทันทีคือการหมุนแตกต่างในดิสก์กาแล็กซีควรทำให้รูปแบบคงที่ใดๆ พันตัว อย่างรวดเร็ว ทฤษฎีคาดว่าจะทำให้แขนเลือนหายไปในช่วงเวลาหลายร้อยล้านปี อย่างไรก็ตาม การสังเกตแสดงให้เห็นว่า โครงสร้างเกลียว ยืนยาวกว่านั้นมาก ซึ่งบ่งชี้ว่าแขนไม่ใช่แค่แขนวัสดุที่หมุนตามดาวเท่านั้น แต่เป็น คลื่นความหนาแน่น หรือรูปแบบที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างจากดาวและก๊าซในดิสก์ [1]

2. ทฤษฎีการก่อตัวของรูปแบบเกลียว

2.1 ทฤษฎีคลื่นความหนาแน่น

ใน ทฤษฎีคลื่นความหนาแน่น ที่เสนอโดย C. C. Lin และ F. H. Shu ในทศวรรษ 1960 แขนเกลียวเป็น คลื่นกึ่งคงที่ ในดิสก์กาแล็กซี ประเด็นสำคัญ:

รูปแบบคลื่น: แขนเป็นบริเวณที่มีความหนาแน่นสูงกว่า (เหมือนกับการจราจรติดขัดบนทางหลวง) ที่เคลื่อนที่ช้ากว่าความเร็วโคจรของดาว
ตัวกระตุ้นการก่อตัวของดาว: เมื่อก๊าซเข้าสู่บริเวณที่มีความหนาแน่นสูงของแขน มันจะถูกบีบอัด กระตุ้นการก่อตัวของดาว ดาวใหม่ที่สว่างไสวที่เกิดขึ้นจะส่องสว่างแขน
โครงสร้างที่ยืนยาว: ความยืนยาวของรูปแบบมาจากวิธีแก้คลื่นที่คล้ายคลื่นต่อความไม่เสถียรของแรงโน้มถ่วงในดิสก์ที่หมุน [2]

2.2 การขยายสวิง

การขยายสวิง เป็นกลไกอีกอย่างที่มักกล่าวถึงในแบบจำลองเชิงตัวเลข เมื่อแผ่นความหนาแน่นสูงในดิสก์ที่หมุนเฉือน แรงโน้มถ่วงสามารถขยายพวกมันภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง (เกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์ Q ของ Toomre, การเฉือนของดิสก์ และความหนาของดิสก์) การขยายนี้กระตุ้นการเติบโตของรูปแบบคล้ายเกลียว บางครั้งรักษารูปแบบแกรนด์ดีไซน์หรือสร้างส่วนแขนหลายส่วน [3]

2.3 เกลียวที่เกิดจากแรงน้ำขึ้นน้ำลง

ในบางกาแล็กซี, ปฏิสัมพันธ์ทางน้ำขึ้นน้ำลง หรือการรวมตัวเล็กๆ สามารถกระตุ้นลักษณะเกลียวที่แข็งแกร่ง แรงดึงดูดของดาวบริวารรบกวนดิสก์ ก่อให้เกิดหรือเสริมแขนเกลียว ระบบเช่น M51 (กาแล็กซีวิลลพูล) แสดงเกลียวที่ยิ่งใหญ่ซึ่งดูเหมือนจะได้รับพลังจากปฏิสัมพันธ์ที่กำลังดำเนินอยู่กับดาวบริวาร [4]

2.4 ฟลอคคูเลนต์ กับ แกรนด์ดีไซน์

เกลียวแกรนด์ดีไซน์ มักสอดคล้องกับวิธีแก้คลื่นความหนาแน่น ซึ่งอาจได้รับการเสริมแรงจากปฏิสัมพันธ์หรือแถบที่ขับเคลื่อนรูปแบบทั่วโลก
เกลียวฟลอคคูเลนต์ อาจเกิดจากความไม่เสถียรในท้องถิ่นและคลื่นเฉือนสั้นๆ ที่ก่อตัวและสลายตัวอย่างต่อเนื่อง คลื่นที่ทับซ้อนกันสามารถสร้างโครงสร้างที่วุ่นวายมากขึ้นทั่วทั้งดิสก์

3. แถบในกาแล็กซีเกลียว

3.1 ลักษณะการสังเกต

แท่ง คือ การสะสมของดาวที่มีรูปร่าง เป็นเส้นตรงหรือวงรี ข้ามบริเวณกลางกาแล็กซี เชื่อมต่อสองฝั่งตรงข้ามของดิสก์ภายใน ประมาณสองในสามของเกลียวที่สังเกตได้เป็น แท่ง (เช่น กาแล็กซี SB ในการจำแนกของฮับเบิล เช่น ทางช้างเผือกของเรา) แท่ง:

ยืดออก จากบัลจ์หรือศูนย์กลางเข้าสู่ดิสก์
หมุน ประมาณเหมือนวัตถุแข็งตัว คล้ายรูปแบบคลื่น
เป็นเจ้าภาพ วงแหวนก่อตัวดาวอย่างเข้มข้นหรือกิจกรรมนิวเคลียร์ที่การไหลเข้าที่ขับเคลื่อนด้วยแท่งรวบรวมแก๊ส [5]

3.2 การก่อตัวและความเสถียร

ความไม่เสถียรทางพลวัต ในดิสก์ที่หมุนสามารถสร้างแท่งขึ้นเองได้หากดิสก์มีแรงโน้มถ่วงในตัวเพียงพอ กระบวนการเหล่านี้เกี่ยวข้องกับ:

การกระจายโมเมนตัมเชิงมุมใหม่: แท่งสามารถอำนวยความสะดวกในการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมเชิงมุมระหว่างส่วนต่างๆ ของดิสก์ (และฮาโล)
ปฏิสัมพันธ์กับฮาโลมวลมืด: ฮาโลสามารถดูดซับหรือถ่ายโอนโมเมนตัมเชิงมุม ส่งผลต่อการเติบโตหรือการสลายตัวของแท่ง

เมื่อก่อตัวแล้ว แท่งมักจะคงอยู่เป็นเวลาหลายพันล้านปี แม้ว่าการปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงหรือผลของเรโซแนนซ์อาจเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของแท่งได้

3.3 การไหลของแก๊สที่ขับเคลื่อนด้วยแท่ง

ผลหลักของแท่งคือการ นำแก๊สเข้าสู่ภายใน:

แรงกระแทกตามเลนฝุ่นของแท่ง: ก้อนแก๊สประสบกับแรงบิดโน้มถ่วง สูญเสียโมเมนตัมเชิงมุม และเคลื่อนตัวเข้าสู่ศูนย์กลางกาแล็กซี
เชื้อเพลิงสำหรับการก่อตัวของดาว: การไหลเข้าดังกล่าวสามารถสะสมในเรโซแนนซ์รูปวงแหวนหรือรอบบัลจ์ เติมเชื้อเพลิงให้กับการระเบิดดาวนิวเคลียร์หรือแกแล็กซีแอกทีฟ

แท่งเหล่านี้จึงสามารถควบคุมการเติบโตของบัลจ์และหลุมดำศูนย์กลางได้อย่างมีประสิทธิภาพ เชื่อมโยงพลวัตของดิสก์กับกิจกรรมในนิวเคลียส [6]

4. แขนเกลียวและแท่ง: พลวัตที่เชื่อมโยงกัน

4.1 เรโซแนนซ์และความเร็วรูปแบบ

แท่งและแขนเกลียวมักจะ อยู่ร่วมกัน ในกาแล็กซีเดียวกัน ความเร็วรูปแบบ ของแท่ง (ความถี่การหมุนของแท่งในฐานะคลื่นแข็ง) สามารถเรโซแนนซ์กับความถี่วงโคจรของดิสก์ อาจช่วยยึดหรือจัดแนวแขนเกลียวที่แผ่ออกมาจากปลายแท่ง:

ทฤษฎีแมนิโฟลด์: การจำลองบางอย่างชี้ให้เห็นว่าแขนเกลียวในกาแล็กซีที่มีแท่งสามารถก่อตัวเป็นแมนิโฟลด์ที่แผ่ออกมาจากปลายแท่ง สร้างโครงสร้างแบบแกรนด์ดีไซน์ที่เชื่อมโยงกับการหมุนของแท่ง [7]
เรโซแนนซ์ภายในและภายนอก: เรโซแนนซ์ที่ปลายแท่งสามารถสร้างลักษณะเป็นวงแหวนหรือโซนเปลี่ยนผ่าน โดยผสมผสานการไหลเข้าที่ขับเคลื่อนด้วยแท่งกับบริเวณคลื่นเกลียว

4.2 ความแข็งแรงของบาร์และการรักษาเกลียว

บาร์ที่แข็งแรงสามารถขยายรูปแบบเกลียว หรือในบางกรณี กระจายก๊าซอย่างมีประสิทธิภาพจนกาแล็กซีวิวัฒนาการในประเภทรูปร่าง (เช่น จากเกลียวประเภทปลายไปเป็นประเภทก่อนหน้าที่มีบัลจ์ใหญ่) กาแล็กซีบางแห่งแสดงปฏิสัมพันธ์แบบวงจรระหว่างบาร์และเกลียว—บาร์สามารถอ่อนหรือแข็งแรงขึ้นในช่วงเวลาคอสมิก เปลี่ยนความโดดเด่นของแขนเกลียว

5. หลักฐานการสังเกตและกรณีศึกษา

5.1 บาร์และแขนของทางช้างเผือก

ทางช้างเผือกของเราคือ barred spiral โดยมีบาร์กลางยาวไม่กี่กิโลพาร์เซกและแขนเกลียวหลายแขนที่ติดตามโดยเมฆโมเลกุล เขต H II และดาว OB การสำรวจท้องฟ้าในช่วงอินฟราเรดยืนยันการมีอยู่ของบาร์ที่อยู่หลังฝุ่น ในขณะที่การสังเกตด้วยวิทยุ/CO เผยให้เห็นการไหลของก๊าซมวลมหาศาลตามเลนส์ฝุ่นของบาร์ การจำลองอย่างละเอียดสนับสนุนสถานการณ์ของการไหลเข้าที่ขับเคลื่อนโดยบาร์ไปยังบริเวณนิวเคลียร์

5.2 กาแล็กซีภายนอกที่มีบาร์แข็งแรง

กาแล็กซีเช่น NGC 1300 หรือ NGC 1365 แสดงบาร์เด่นที่เชื่อมต่อกับแขนเกลียวที่ชัดเจน การสังเกตเลนส์ฝุ่น วงแหวนการก่อตัวของดาว และการไหลของก๊าซโมเลกุลยืนยันบทบาทของบาร์ในการขนส่งโมเมนตัมเชิงมุม ในกาแล็กซีที่มีบาร์บางแห่ง ปลายบาร์จะรวมเข้ากับรูปแบบเกลียวอย่างราบรื่น เผยให้เห็นโครงสร้างที่จำกัดด้วยเรโซแนนซ์

5.3 เกลียวแรงน้ำขึ้นน้ำลงและปฏิสัมพันธ์

ระบบเช่น M51 แสดงให้เห็นว่าคู่ดาวบริวารขนาดเล็กสามารถเสริมและรักษาแขนเกลียวสองแขนที่แข็งแรง การหมุนแตกต่างกัน รวมกับแรงดึงดูดเป็นช่วง ๆ ทำให้เกิดหนึ่งในเกลียวดีไซน์ใหญ่ที่โดดเด่นที่สุดบนท้องฟ้า การศึกษากาแล็กซีเกลียวที่ถูก "บังคับโดยแรงน้ำขึ้นน้ำลง" เหล่านี้สนับสนุนแนวคิดที่ว่าการรบกวนภายนอกสามารถเพิ่มความเข้มข้นหรือยึดรูปแบบเกลียวไว้ได้ [8]

6. วิวัฒนาการของกาแล็กซีและกระบวนการเชิงเส้น

6.1 วิวัฒนาการเชิงเส้นผ่านบาร์

เมื่อเวลาผ่านไป บาร์ สามารถขับเคลื่อน วิวัฒนาการเชิงเส้น (ค่อยเป็นค่อยไป): ก๊าซสะสมในบัลจ์กลางหรือพิวโดบัลจ์ การก่อตัวของดาวเปลี่ยนโครงสร้างกลางของกาแล็กซี และความแข็งแรงของบาร์อาจเพิ่มขึ้นหรือลดลง การวิวัฒนาการรูปร่างแบบ "ช้า" นี้แตกต่างจากการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันจากการรวมตัวครั้งใหญ่ แสดงให้เห็นว่ากลไกภายในดิสก์สามารถพัฒนากาแล็กซีเกลียวจากภายใน [9]

6.2 การควบคุมการก่อตัวของดาว

แขนเกลียว ไม่ว่าจะถูกขับเคลื่อนโดยคลื่นความหนาแน่นหรือความไม่เสถียรในท้องถิ่น ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตดาวใหม่ ก๊าซที่ข้ามแขนเกลียวจะถูกบีบอัดและจุดประกายการก่อตัวของดาว บาร์สามารถเร่งกระบวนการนี้โดยการนำก๊าซเพิ่มเติมเข้าสู่ภายใน ตลอดหลายพันล้านปี กระบวนการเหล่านี้สามารถสร้างดิสก์ดาว เพิ่มความอุดมสมบูรณ์ของสื่อระหว่างดวงดาว และป้อนหลุมดำตรงกลางกาแล็กซี

6.3 ความเชื่อมโยงกับการเติบโตของบัลจ์และ AGN

การไหลเข้าของก๊าซที่ขับเคลื่อนโดยบาร์สามารถสะสมก๊าซจำนวนมากใกล้แกนกลาง ซึ่งอาจกระตุ้นตอนของ AGN หากก๊าซถูกป้อนเข้าสู่หลุมดำมวลมหาศาลตรงกลาง ตอนซ้ำ ๆ ของการก่อตัวหรือการทำลายบาร์สามารถกำหนดลักษณะของบัลจ์ สร้าง pseudo-bulge ที่มีการเคลื่อนที่คล้ายดิสก์ แตกต่างจากบัลจ์คลาสสิกที่ก่อตัวจากการรวมตัวกัน

7. การสังเกตและการจำลองในอนาคต

7.1 การถ่ายภาพความละเอียดสูง

หอดูดาวยุคหน้า (เช่น กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มาก, Nancy Grace Roman Space Telescope) จะให้ภาพใกล้อินฟราเรดที่ละเอียดขึ้นของเกลียวแท่ง เผยให้เห็นวงแหวนก่อตัวดาว ทางเดินฝุ่น และการไหลของก๊าซ ข้อมูลนี้จะช่วยปรับปรุงแบบจำลองวิวัฒนาการที่ขับเคลื่อนโดยแท่งในช่วงเรดชิฟต์ต่างๆ

7.2 สเปกโทรสโกปีสนามบูรณาการ

การสำรวจ IFU (เช่น MANGA, SAMI) วัดสนามความเร็วและความอุดมสมบูรณ์ทางเคมีทั่วดิสก์กาแล็กซี ให้แผนที่จลนศาสตร์ 2 มิติของแท่งและแขน ข้อมูลดังกล่าวช่วยชี้แจงการไหลเข้า เรโซแนนซ์ และตัวกระตุ้นการก่อตัวของดาว โดยเน้นความร่วมมือของแท่งและคลื่นเกลียวในการส่งเสริมการเติบโตของดิสก์

7.3 การจำลองดิสก์ขั้นสูง

การจำลองไฮโดรไดนามิกที่ทันสมัย (เช่น FIRE, แบบจำลองดิสก์ซับกริด IllustrisTNG) มีเป้าหมายเพื่อจับการก่อตัวของแท่งและเกลียวอย่างสอดคล้อง รวมถึงฟีดแบ็กจากการก่อตัวของดาวและหลุมดำ การเปรียบเทียบการจำลองเหล่านี้กับกาแล็กซีเกลียวที่สังเกตได้ช่วยปรับปรุงทฤษฎีวิวัฒนาการเชิงเซคูลาร์ อายุการใช้งานของแท่ง และการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง [10]

8. บทสรุป

แขนเกลียว และ แท่ง เป็นโครงสร้างที่เคลื่อนไหวได้ซึ่งอยู่ใจกลางวิวัฒนาการของกาแล็กซีดิสก์ แสดงถึงรูปแบบคลื่นแรงโน้มถ่วง เรโซแนนซ์ และการไหลของก๊าซที่ควบคุมการก่อตัวของดาวและกำหนดรูปร่างของกาแล็กซี ไม่ว่าจะเกิดจากคลื่นความหนาแน่นที่ดำรงตนเอง การขยายสวิง หรือการปะทะแบบแรงดึงดูด แขนเกลียวช่วยเติมชีวิตชีวาให้กับดิสก์กาแล็กซี โดยเน้นการก่อตัวของดาวตามโค้งที่สง่างาม ขณะเดียวกัน แท่งทำหน้าที่เป็น “เครื่องยนต์” ที่ทรงพลังสำหรับการกระจายโมเมนตัมเชิงมุม โดยขับเคลื่อนการไหลของก๊าซเข้าสู่ภายในเพื่อเลี้ยงดูบัลจ์และหลุมดำศูนย์กลาง

คุณสมบัติเหล่านี้ร่วมกันแสดงให้เห็นว่ากาแล็กซีไม่ได้อยู่นิ่ง แต่ยังคงเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่อง—ทั้งภายในและภายนอก—ตลอดกาลเวลาในจักรวาล ขณะที่เรายังคงทำแผนที่การโต้ตอบที่ซับซ้อนของเรโซแนนซ์แท่ง คลื่นความหนาแน่นเกลียว และประชากรดาวที่พัฒนาไป เราจะเข้าใจดีขึ้นว่ากาแล็กซีอย่างทางช้างเผือกของเรามีโครงสร้างเกลียวที่คุ้นเคยแต่ยังคงเปลี่ยนแปลงอย่างไม่หยุดนิ่งได้อย่างไร

เอกสารอ้างอิงและการอ่านเพิ่มเติม

Lin, C. C., & Shu, F. H. (1964). “เกี่ยวกับโครงสร้างเกลียวของกาแล็กซีดิสก์.” The Astrophysical Journal, 140, 646–655.
Lin, C. C., & Shu, F. H. (1966). “ทฤษฎีโครงสร้างเกลียวในกาแล็กซี.” Proceedings of the National Academy of Sciences, 55, 229–234.
Toomre, A. (1981). “อะไรที่ทำให้เกลียวขยายตัว?” Structure and Evolution of Normal Galaxies, Cambridge University Press, 111–136.
Tully, R. B. (1974). “The kinematics and dynamics of M51.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 27, 449–457.
Athanassoula, E. (1992). “Formation and evolution of bars in galaxies.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 259, 345–364.
Sanders, R. H., & Tubbs, A. D. (1980). “Bar-driven infall of interstellar gas in spiral galaxies.” The Astrophysical Journal, 235, 803–816.
Romero-Gómez, M., et al. (2006). “The origin of the spiral arms in barred galaxies.” Astronomy & Astrophysics, 453, 39–46.
Dobbs, C. L., et al. (2010). “Spiral galaxies: Flow of star-forming gas.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 403, 625–645.
Kormendy, J., & Kennicutt, R. C. (2004). “Secular Evolution and the Formation of Pseudobulges in Disk Galaxies.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 42, 603–683.
Garmella, M., et al. (2022). “Simulations of Bar Formation and Evolution in FIRE Disks.” The Astrophysical Journal, 924, 120.

← บทความก่อนหน้า บทความถัดไป →

กลับไปด้านบน

กลับไปที่บล็อก

ประเทศ/ภูมิภาค

ภาษา