背景轉(zhuǎn)動(dòng)對渦旋星系翹曲度的影響

劉 玲, 鄭婷婷, 曹澤新(. 沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 0034; . 沈陽航空航天大學(xué) 理學(xué)院, 沈陽 0034)

0 引 言

很多渦旋星系邊緣會(huì)出現(xiàn)一種特別的現(xiàn)象,即一端稍微向上翹,而另一端向下曲,其截面形狀近似于英文字母S,這種現(xiàn)象被稱為星系的翹曲[1]。渦旋星系的翹曲結(jié)構(gòu),隨著天文觀測手段的發(fā)展,已經(jīng)是一種比較普遍的宇宙現(xiàn)象。為了研究翹曲結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制,人們提出了多種翹曲結(jié)構(gòu)形成理論且在觀測的基礎(chǔ)上做了大量工作,如Kerr等較早地提出,星系之間存在引力,由于引力的疊加或相互作用,導(dǎo)致了翹曲結(jié)構(gòu)的形成。但Castro-Rodriguez等[2]認(rèn)為,這種引力相互作用機(jī)制僅適用于某些河外星系,對于銀河系并不適用。Reshtnikov等[3]通過采用統(tǒng)計(jì)方法對翹曲機(jī)制進(jìn)行分析,認(rèn)為近鄰星系間的潮汐作用對翹曲結(jié)構(gòu)的形成起著相當(dāng)大的作用[4],但孤立星系中也存在翹曲結(jié)構(gòu),可見潮汐力不是翹曲結(jié)構(gòu)形成的唯一機(jī)制,上述觀點(diǎn)并不能較好地解釋翹曲結(jié)構(gòu)的形成原因。翹曲結(jié)構(gòu)形成機(jī)制理論涉及星系際介質(zhì)的內(nèi)落和吸積、衛(wèi)星在暗物質(zhì)中的扭曲、盤與暈的角動(dòng)量錯(cuò)向以及星系際磁場等,但到目前為止,這些解釋仍缺乏足夠的說服力,星系盤翹曲結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制還有待進(jìn)一步解釋。

文獻(xiàn)[1]中認(rèn)為渦旋星系的存在不是由于星系的演化過程是否為相對孤立系統(tǒng),而是其背景存在大尺度轉(zhuǎn)動(dòng),使星系演化更像是宇宙颶風(fēng)的演化過程。而渦旋星系普通存在的翹曲結(jié)構(gòu),也是大尺度背景轉(zhuǎn)動(dòng)中,慣性力作用的一種結(jié)果。并通過轉(zhuǎn)動(dòng)參考系下的三維粘性雙粒子演化模擬,清楚給出了星系的翹曲結(jié)構(gòu)。由此,渦旋星系的翹曲結(jié)構(gòu)形成機(jī)制,就有了一個(gè)簡明直觀的物理解釋。

本文繼續(xù)利用三維粘性雙粒子星系模型,通過改變粘滯系數(shù)、初始位置、角速度等一系列參數(shù),研究星系翹曲度的影響因素。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方向?qū)βN曲結(jié)構(gòu)有著關(guān)鍵的影響,此外,還進(jìn)一步研究了背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度大小、方向等參數(shù)對星系翹曲產(chǎn)生的影響。

1 星系翹曲的理論模型

由于背景轉(zhuǎn)動(dòng)能夠給星系的演化提供非慣性力,非慣性力驅(qū)動(dòng)星系的演化運(yùn)動(dòng),成為星系翹曲結(jié)構(gòu)形成的直接原因[5-6]。星系粒子運(yùn)動(dòng)時(shí),還收到所有其他粒子的引力作用,由于星系具有旋轉(zhuǎn)對稱性,每個(gè)粒子所受到的合力都是向心的。除了受到的中心合力,以及背景提供的非慣性力之外,星系粒子之間的相互作用還為單粒子提供了粘性力。這種粘性力,實(shí)際上是由粒子周邊其他物質(zhì)的引力產(chǎn)生,即粘性力是引力的分量。這里認(rèn)為粘性力和速度成正比,并直接把粘性系數(shù)作為自由參數(shù)來加以分析。因此星系演化問題可以看成在這3種力作用下的多體問題。為直觀起見,本文主要考慮僅由2個(gè)粒子組成的最簡單星系,分析這些力作用下星系的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。復(fù)雜星系的整體演化,有待更多粒子組成的多粒子體系的進(jìn)一步模擬結(jié)果。這里主要就影響翹曲結(jié)構(gòu)的因素進(jìn)行定性分析。

(1)

2 數(shù)值模擬計(jì)算和影響翹曲因素分析

本文將通過調(diào)整背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、粘滯系數(shù)和粒子初始位置等各種參數(shù),考察翹曲結(jié)構(gòu)的起因及各個(gè)參數(shù)的影響。模擬發(fā)現(xiàn),若雙粒子連線與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方向垂直,如果調(diào)整粘滯系數(shù)等參數(shù),背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的方向就是星系粒子演化軌跡盤面的法向,星系粒子的軌跡都在一個(gè)平面內(nèi),沒有翹曲結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。而雙粒子連線方向和背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方向不是垂直關(guān)系,雙粒子演化軌跡總會(huì)出現(xiàn)翹曲結(jié)構(gòu),因此星系盤面法向和角速度的夾角是翹曲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的關(guān)鍵。

在選定一定的粘滯系數(shù)和兩粒子的初始相對距離,僅改變雙粒子連線和背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的夾角,考察雙粒子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡翹曲度的變化。這里分別選取粒子背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與雙粒子連線的夾角變化時(shí),通過模擬發(fā)現(xiàn),星系粒子軌跡的翹曲度也在不斷發(fā)生變化。同時(shí),在選定夾角固定以后,改變背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的大小,星系粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的翹曲度也隨之發(fā)生變化。

圖1 夾角θ=π/4時(shí)粒子軌跡的投影圖和三維視圖Fig.1 Projection map and 3D view of particle trajectories in angle, when θ=π/4

圖2 夾角θ=π/8時(shí)粒子軌跡的投影圖和三維視圖Fig.2 Projection map and 3D view of particle trajectories in angle, when θ=π/8

圖3 夾角θ=π/12時(shí)粒子軌跡的投影圖和三維視圖Fig.3 Projection map and 3D view of particle trajectories in angle, when θ=π/12

圖4 夾角θ=π/12時(shí)粒子軌跡的三維放大視圖Fig.4 3D amplification view of particle trajectories in angle, when θ=π/12

此外,除了背景角速度大小和圖3不同,其他參數(shù)不變,還就不同大小的背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度進(jìn)行了模擬比對,其中圖5對應(yīng)ω=0.16,圖6對應(yīng)ω=0.26,其中圖5對應(yīng)的ω=0.16比較小,所以在盤面法向上的投影分量相對于粘滯系數(shù)要小得多,因?yàn)檎麄€(gè)星系分布不很均勻,渦旋結(jié)構(gòu)及翹曲形態(tài)更趨于單粒子運(yùn)動(dòng)形態(tài),和星系中的粒子運(yùn)動(dòng)差異較大。而通過比對,圖6中對應(yīng)ω=0.26的粒子軌跡,其中心翹曲區(qū)域相對小于圖3中的翹曲區(qū)域,這是背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的減小導(dǎo)致粘滯系數(shù)比例增大所引起的。

圖5 夾角θ=π/12,ω=0.16,粒子軌跡的投影圖和三維視圖Fig.5 Projection map and 3D view of particle trajectories in angle, when θ=π/12 and ω=0.16

圖6 夾角θ=π/12,ω=0.26,粒子軌跡的投影圖和三維視圖Fig.6 Projection map and 3D view of particle trajectories in angle, when θ=π/12 and ω=0.26

星系翹曲結(jié)構(gòu)的解釋一直都有很大爭議,而且很多都是通過暗物質(zhì)的假設(shè)來加以解釋[7-8]。這里的模擬顯示,通過給出背景轉(zhuǎn)動(dòng),在星系粒子分布不均勻的條件下,由于慣性力的作用,星系的翹曲結(jié)構(gòu)就會(huì)自然地形成,不需要額外的假設(shè)。結(jié)果表明,除非星系粒子以背景角速度方向?yàn)檗D(zhuǎn)軸,均勻地旋轉(zhuǎn)對稱分布,否則星系的外延部分總會(huì)出現(xiàn)一定的翹曲結(jié)構(gòu),這一模擬結(jié)果和天文觀測結(jié)果相符[9-10]。

3 結(jié)論和展望

本文通過改變背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的方向和大小,考察背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度對渦旋星系翹曲結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示,背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相對于星系盤面法向的夾角,是星系形成翹曲結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵原因,夾角越大,星系的翹曲度也就越大[11-15]。同時(shí),模擬表明背景轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的大小也對星系翹曲度有著重要的影響。

結(jié)果表明,背景大尺度轉(zhuǎn)動(dòng),是渦旋星系產(chǎn)生翹曲結(jié)構(gòu)的基本原因,雖然背景的大尺度轉(zhuǎn)動(dòng)還是一個(gè)有待天文觀測驗(yàn)證的觀點(diǎn)。但從文獻(xiàn)[7]和本文的計(jì)算分析中可以看出,背景的大尺度轉(zhuǎn)動(dòng)能自洽地解釋星系的渦旋結(jié)構(gòu)以及翹曲形態(tài)等現(xiàn)象,天文上證實(shí)只是時(shí)間問題。

由于盤面的存在,真正的多粒子星系翹曲形態(tài)和雙粒子星系給出的翹曲軌跡應(yīng)該有一定差異,更精確的模擬結(jié)果需要通過N體問題模擬來加以分析[16-17]。不過從背景轉(zhuǎn)動(dòng)提供的垂直于盤面的科里奧利力分量來看,真正的星系盤面在其作用下,也一定出現(xiàn)翹曲結(jié)構(gòu)[18]。

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