La teoría de ondas de densidad o la teoría de ondas de densidad de Lin-Shu es una teoría propuesta por CC Lin y Frank Shu a mediados de la década de 1960 para explicar la estructura de brazos espirales de las galaxias espirales . [1] [2] La teoría Lin-Shu introduce la idea de una estructura espiral cuasiestática de larga duración (hipótesis QSSS). [1] En esta hipótesis, el patrón en espiral gira en una frecuencia angular particular (velocidad del patrón), mientras que las estrellas en el disco galáctico están orbitando a una velocidad diferente dependiendo de su distancia al centro de la galaxia.. La presencia de ondas de densidad espirales en las galaxias tiene implicaciones en la formación de estrellas , ya que el gas que orbita alrededor de la galaxia puede comprimirse y formar un choque periódicamente. [3] Teóricamente, la formación de un patrón espiral global se trata como una inestabilidad del disco estelar causada por la autogravedad , a diferencia de las interacciones de las mareas . [4] La formulación matemática de la teoría también se ha extendido a otros sistemas de discos astrofísicos, [5] como los anillos de Saturno .
Brazos espirales galácticos
Originalmente, los astrónomos tenían la idea de que los brazos de una galaxia espiral eran materiales. Sin embargo, si este fuera el caso, los brazos se enrollarían cada vez más, ya que la materia más cercana al centro de la galaxia gira más rápido que la materia en el borde de la galaxia. [6] Los brazos se volverían indistinguibles del resto de la galaxia después de unas pocas órbitas. A esto se le llama problema de bobinado. [7]
Lin & Shu propuso en 1964 que las armas no eran de naturaleza material, sino que estaban compuestas por áreas de mayor densidad, similares a un atasco en una carretera. Los coches se mueven a través del atasco: la densidad de los coches aumenta en medio del mismo. El atasco en sí mismo, sin embargo, se mueve más lentamente. [1] En la galaxia, las estrellas, el gas, el polvo y otros componentes se mueven a través de las ondas de densidad, se comprimen y luego salen de ellas.
Más específicamente, la teoría de la onda de densidad sostiene que la "atracción gravitacional entre estrellas en diferentes radios" previene el llamado problema del devanado y, de hecho, mantiene el patrón en espiral. [8]
La velocidad de rotación de los brazos se define como , la velocidad del patrón global. (Por lo tanto, dentro de un cierto marco de referencia no inercial , que gira en, los brazos espirales parecen estar en reposo). Las estrellas dentro de los brazos no están necesariamente estacionarias, aunque a cierta distancia del centro,, el radio de rotación, las estrellas y las ondas de densidad se mueven juntas. Dentro de ese radio, las estrellas se mueven más rápidamente () que los brazos espirales, y afuera, las estrellas se mueven más lentamente (). [7] Para una espiral con brazos m , una estrella en el radio R desde el centro se moverá a través de la estructura con una frecuencia. Entonces, la atracción gravitacional entre estrellas solo puede mantener la estructura en espiral si la frecuencia a la que una estrella pasa a través de los brazos es menor que la frecuencia epicíclica ,, de la estrella. Esto significa que solo existirá una estructura en espiral de larga duración entre la resonancia de Lindblad interna y externa (ILR, OLR, respectivamente), que se definen como radios tales que: y , respectivamente. Pasado el OLR y dentro del ILR, la densidad extra en los brazos espirales tira más a menudo que la tasa epicíclica de las estrellas, y las estrellas son incapaces de reaccionar y moverse de tal manera que "refuercen el aumento de densidad espiral". [8]
Animación 1: Si los brazos espirales tuvieran concentraciones de masa rígidas, la galaxia debe rotar como un todo alrededor de su centro para mantener su estructura en espiral. Según la observación de Lindblad y las leyes de la física, este no es el caso.
Animación 2: La rotación diferencial observada por Lindblad disolvería los brazos espirales en un corto período de tiempo si estuvieran compuestos de concentraciones de masa fijas.
Animación 3: Las órbitas predichas por la teoría de la onda de densidad permiten la existencia de brazos espirales estables. Las estrellas entran y salen de los brazos espirales mientras orbitan la galaxia.