Spiral galaxies are well-known astrophysical structures, but how they form is not fully understood. This paper describes simulations showing that they could be transient, nonequilibrium structures originating from the collapse of clouds of matter interacting solely through self-gravity.
Initial condition: prolate ellipsoid with a central overdensity. More
Comunicato stampa – Le braccia che avvolgono il nucleo di questa interessante formazione celeste infrangono la terza legge di Keplero per cui la velocità orbitale decresce con la distanza dal centro. Per spiegare questo fenomeno si ipotizzano la materia oscura o una correzione della seconda legge di Newton.
Un team internazionale composto da ricercatori dell’Isc-Cnr e del Laboratoire de Physique Nucleaire et de Hautes Energies di Parigi apre la strada a ipotesi diverse, dimostrando come sia possibile simulare al computer la nascita di una galassia a spirale.
Roma, 22 gennaio 2018 – Hanno la forma di un disco composto da un nucleo con alcune braccia che gli si avvolgono intorno. Sono le galassie a spirale, uno degli oggetti più suggestivi e interessanti dell’universo visibile rivelati dall’astronomia. Francesco Sylos Labini, ricercatore presso l’Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche (Isc-Cnr) e del Centro Fermi, ha recentemente pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal una ricerca sul tema in collaborazione con il Laboratoire de Physique Nucleaire et de Haute Energies (Lpnhe) di Parigi.
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Here is a gif animated of a simulation with 1 million particles. The initial condition was an isolated, uniform, prolate ellipsoid with a some rigid rotation. The system is evolved for 50 dynamical times. This is a projection on the XY plane where rotation is around the Z axis. The color code is proportional to the log of the density.
More: Long-lived transient structure in collisionless self-gravitating systems David Benhaiem, Francesco Sylos Labini, and Michael Joyce, Phys. Rev. E 99, 022125, 2019
We measure the mean Galactocentric radial component of the velocity of stars (vR) in the disk at 8 kpc<R<28 kpc in the direction of the anticenter. For this, we use the Apache Point Galactic Evolution Experiment (APOGEE). Furthermore, we compare the result with HI maps along the same line of sight. We find an increase in positive (expansion) vR at R≈9−13 kpc, reaching a maximum of ≈6 km/s, and a decrease at large values of R reaching a negative (contraction) value of ≈−10 km/s for R>17 kpc. Negative velocities are also observed in 21 cm HI maps, possibly dominated by local gas emission. Among the possible dynamical causes for these non-zero vR, factors such as the effect of the Galactic bar, streams, or mergers do not seem appropriate to explain our observations. An explanation might be the gravitational attraction of overdensities in a spiral arm. As a matter of fact, we see a change of regime from positive to negative velocities around R≈15 kpc, in the position where we cross the Outer spiral arm in the anticenter. The mass in spiral arms necessary to produce these velocities would be about 3\% of the mass of the disk, consistent with our knowledge of the spiral arms. Another scenario that we explore is a simple class of out-of-equilibrium systems in which radial motions are generally created by the monolithic collapse of isolated self-gravitating overdensities.
M. Lopez-Corredoira, F. Sylos Labini, P. M. W. Kalberla, C. Allende Prieto
| Comments: | 21 pages, 16 figures |
| Subjects: | Astrophysics of Galaxies (astro-ph.GA) |
| Journal reference: | The Astronomical Journal, Volume 157, Number 1, 2019 |
| Cite as: | arXiv:1901.01300 [astro-ph.GA] |
| (or arXiv:1901.01300v1 [astro-ph.GA] for this version) |
Galaxy velocity maps often show the typical pattern of a rotating disk, consistent with the dynamical model where emitters rotate in circular orbits around the galactic center. The simplest template used to fit these maps consists in the rotating disk model (RDM) where the amplitude of circular velocities is fixed by the observed velocity profile along the kinematic axis. A more sophisticated template is the rotating tilted-ring model (RTRM) that takes into account the presence of warps and allows a radius-dependent orientation of the kinematic axis. In both cases, axisymmetry is assumed and residuals between the observed and the model velocity fields are interpreted as noncircular motions.
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Il sistema solare si è formato circa cinque miliardi di anni fa: i diversi pianeti hanno dunque avuto il tempo di compiere più di un miliardo di rivoluzioni intorno al sole. In particolare Mercurio, che un periodo orbitale di 88 giorni, ne ha fatte circa 25 miliardi, la Terra 5 miliardi, mentre Nettuno, con un periodo orbitale di 160 anni, 250 milioni. Per questo motivo il sistema solare può essere considerato aver raggiunto una situazione di stabilità in cui i tutti pianeti, anche i più esterni, ruotano in orbite chiuse dove la forza gravitazionale di attrazione del sole è controbilanciata dalla forza centrifuga che ha ugual modulo di questa ma verso opposto. Per effetto della forza gravitazionale esercitata sui pianeti dal sole le velocità orbitali dei pianeti variano secondo la loro distanza dal sole: Mercurio si muove a 48 km/sec, la Terra a 30 km/sec e Nettuno a 5 km/sec. Questo equilibrio dinamico, una volta stabilito, rimane invariato e dura finché cause esterne non ne causano la rottura.
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“In questi anni – spiega Francesco Sylos Labini, ricercatore del Cnr-Isc – la missione Gaia, un satellite dell’Agenzia spaziale europea progettato per indagare origine, evoluzione e struttura della Via Lattea, sta compiendo misurazioni astrometriche di altissima precisione, determinando la posizione di oltre un miliardo di stelle sulle quali è stato appena pubblicato il data release 2, il più grande e accurato censimento di informazioni quali posizioni, velocità e altre proprietà stellari. In particolare, è ora possibile esplorare lo spazio delle fasi (posizioni e velocità) di oltre sei milioni di stelle nel disco della Via Lattea. Le mappe delle velocità stellari pubblicate da Gaia coprono una distanza fino a 12 kilopaserc (kpc), unità di misura impiegata in astronomia per indicare la distanza fra oggetti celesti. Noi siamo stati in grado di estenderle fino a 20 kpc, tre volte in più rispetto alle mappe ufficiali, utilizzando una ricostruzione statistica della distanza”. – I ricercatori hanno quindi misurato deviazioni significative dalla circolarità nelle orbite medie delle stelle del disco della Via Lattea, insieme a un gradiente di velocità radiale di circa 40 km/s e di un gradiente di velocità verticale di 20 km/s.
francesco sylos labini 