星のダンス～天の川の腕～

私たちの銀河系の螺旋構造

私たちの銀河系、天の川、棒渦巻銀河、つまり、中央の星の膨らみと、この膨らみを横切る星の棒、そして全体を囲む平らな円盤で構成されています。 このディスクには、銀河兵器、他の銀河でも観察されるこれらの明るい螺旋構造。 これらのアームは硬い構造ではなく、高密度領域星、ガス、塵が蓄積する場所。 私たちの太陽系は、ペルセウス腕と射手座腕の間のこれらの腕の 1 つであるオリオン腕に位置しています。

プレゼンテーション: 銀河の渦巻き腕の謎

私たちの銀河の渦巻き状の腕は、より多くの星、ガス、塵が存在する密度の高い帯のようなものです。物理的に、これは物質が均一に分布しているのではなく、銀河の中心の周りを回転する集中領域を形成していることを意味します。これらの腕がどのように形成され、進化するかを理解するには、それ自体で回転する銀河の円盤がどのようにして安定を保つかどうか、密度波がどのように現れるか、ガスや星がこれらの領域でどのように誕生し相互作用するかを研究する必要があります。

形態学と地図作成: 私たちが観察するもの

腕を追跡するために、天文学者はいくつかの「指標」を使用します。つまり、21 cm と呼ばれる電波を使用して検出される原子ガス、分子ガス (主に CO)、星が誕生する領域 (領域 \(\text{ion}\,\text{H}\,\text{ii}\))、および若い星のグループです。正確な速度、距離、位置の測定値（たとえば、ガイア衛星やメーザーと呼ばれる非常に細かい測定値）を組み合わせることで、腕の形状をマッピングすることができます。これらは多くの場合、対数螺旋のように見えます。つまり、「ピッチ角」と呼ばれる開き角によって定義される、中心の周りを規則的に包み込む曲線です。

銀河円盤の動的枠組み

私たちは銀河円盤を、それ自身の重力の下で回転する流体としてモデル化します。星やガスの回転速度は、それらを中心に向かって引っ張る重力によって決まります。この円速度 \(v_c(R)\) は、重力ポテンシャルの傾きに関連付けられています。 円盤が安定しているか、それとも局所的に崩壊する (つまりアームやクラスターが形成される) かどうかを知るには、トゥームレ パラメーター \(Q\) と呼ばれる基準を使用します。それは物質の密度、ガス中の音速（圧力や乱流を反映する）、および軌道力学に依存します。 \(Q\) が 1 より小さい場合、円盤は不安定になり、腕のような構造を形成する可能性があります。

銀河腕の形成と力学に関する理論

渦巻き腕の存在は、天文学者たちの長い間興味をそそられてきました。 2 つの主要な理論が、その形成と持続性を説明しようと試みています。

• 密度波理論: この理論によれば、銀河腕は一緒に回転する物理的な物体ではなく、銀河円盤を通って伝播する重力衝撃波です。 これらの波はガスや塵を圧縮し、新しい星の形成を引き起こします。 これらの若くて重い星は非常に明るいため、腕がより目立つようになります。
• 星形成の自己伝播: このモデルでは、銀河円盤の 1 つの領域で新しい星の形成が衝撃波を引き起こし、それが次に隣接する領域での新しい星の形成を引き起こします。 このプロセスは段階的に伝播し、らせん構造を形成します。

これら 2 つの理論は相互に排他的ではなく、両方とも銀河腕の形成と力学に寄与している可能性があります。

最近の観察

ガイア衛星による星の位置と動きの測定や、メーザーからの非常に精細な電波観測などの非常に正確な技術のおかげで、天文学者は現在、天の川銀河の 3D 地図を作成し、そこで見つかった天体の速度を正確に測定できるようになりました。 この新しいデータは、私たちの銀河が地球規模の波に似た安定した渦巻き腕と、局所的に現れるより一時的な構造の両方を持っていることを示しています。これにより、複雑ではあるが論理的な図が得られ、いくつかの現象が組み合わさって、観察される渦巻き状の腕が形成されます。

覚えておくべきこと

機械的な観点から見ると、渦巻きアームは、集合モード (密度波) と、ガス内のせん断および散逸によって増幅される一時的な局所現象との間の妥協によって生じます。 天の川はこれら 2 つのメカニズムを組み合わせているように見え、その螺旋構造の複雑さを説明しています。 銀河のダイナミクスを解読するには、マルチトレーサーとマルチスケールのアプローチが不可欠です。

メインスパイラルアーム

天の川銀河には 4 つの主要な渦巻き腕があります。ペルセウス腕、白鳥定規腕、射手座りゅうこつ腕、およびオリオン腕 (太陽系がある場所) です。一般に信じられていることに反して、星々はこれらの腕に固定されているのではなく、銀河軌道中に平均 220 km/s の速度で腕の中を通過します。

ソース ：NASA スピッツァー宇宙望遠鏡そしてESO 銀河構造研究。

私たちの銀河系の未来

約40億年後、天の川銀河はアンドロメダ銀河と衝突します。この大きな重力相互作用は、渦巻き腕の構造を根本的に変化させ、おそらく渦巻き腕を楕円銀河に変えるでしょう。数値シミュレーションによると、恒星が直接衝突する確率は、恒星あたり \(10^{-12}\) 程度と小さいままです。