背景轉動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 物理科學與技術學院, 沈陽 0034; . 沈陽航空航天大學 理學院, 沈陽 0034)

0 引 言

很多渦旋星系邊緣會出現一種特別的現象,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,這種現象被稱為星系的翹曲[1]。渦旋星系的翹曲結構,隨著天文觀測手段的發展,已經是一種比較普遍的宇宙現象。為了研究翹曲結構的形成機制,人們提出了多種翹曲結構形成理論且在觀測的基礎上做了大量工作,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,導致了翹曲結構的形成。但Castro-Rodriguez等[2]認為,這種引力相互作用機制僅適用于某些河外星系,對于銀河系并不適用。Reshtnikov等[3]通過采用統計方法對翹曲機制進行分析,認為近鄰星系間的潮汐作用對翹曲結構的形成起著相當大的作用[4],但孤立星系中也存在翹曲結構,可見潮汐力不是翹曲結構形成的唯一機制,上述觀點并不能較好地解釋翹曲結構的形成原因。翹曲結構形成機制理論涉及星系際介質的內落和吸積、衛星在暗物質中的扭曲、盤與暈的角動量錯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,星系盤翹曲結構的形成機制還有待進一步解釋。

文獻[1]中認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,而是其背景存在大尺度轉動,使星系演化更像是宇宙颶風的演化過程。而渦旋星系普通存在的翹曲結構,也是大尺度背景轉動中,慣性力作用的一種結果。并通過轉動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構。由此,渦旋星系的翹曲結構形成機制,就有了一個簡明直觀的物理解釋。

本文繼續利用三維粘性雙粒子星系模型,通過改變粘滯系數、初始位置、角速度等一系列參數,研究星系翹曲度的影響因素。數值模擬發現,背景轉動角速度方向對翹曲結構有著關鍵的影響,此外,還進一步研究了背景轉動角速度大小、方向等參數對星系翹曲產生的影響。

1 星系翹曲的理論模型

由于背景轉動能夠給星系的演化提供非慣性力,非慣性力驅動星系的演化運動,成為星系翹曲結構形成的直接原因[5-6]。星系粒子運動時,還收到所有其他粒子的引力作用,由于星系具有旋轉對稱性,每個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,實際上是由粒子周邊其他物質的引力產生,即粘性力是引力的分量。這里認為粘性力和速度成正比,并直接把粘性系數作為自由參數來加以分析。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個粒子組成的最簡單星系,分析這些力作用下星系的運動性質。復雜星系的整體演化,有待更多粒子組成的多粒子體系的進一步模擬結果。這里主要就影響翹曲結構的因素進行定性分析。

(1)

2 數值模擬計算和影響翹曲因素分析

本文將通過調整背景轉動角速度、粘滯系數和粒子初始位置等各種參數,考察翹曲結構的起因及各個參數的影響。模擬發現,若雙粒子連線與轉動角速度方向垂直,如果調整粘滯系數等參數,背景轉動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平面內,沒有翹曲結構出現。而雙粒子連線方向和背景轉動角速度方向不是垂直關系,雙粒子演化軌跡總會出現翹曲結構,因此星系盤面法向和角速度的夾角是翹曲結構產生的關鍵。

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

圖1 夾角θ=π/4時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,其他參數不變,還就不同大小的背景轉動角速度進行了模擬比對,其中圖5對應ω=0.16,圖6對應ω=0.26,其中圖5對應的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要小得多,因為整個星系分布不很均勻,渦旋結構及翹曲形態更趨于單粒子運動形態,和星系中的粒子運動差異較大。而通過比對,圖6中對應ω=0.26的粒子軌跡,其中心翹曲區域相對小于圖3中的翹曲區域,這是背景轉動角速度的減小導致粘滯系數比例增大所引起的。

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

星系翹曲結構的解釋一直都有很大爭議,而且很多都是通過暗物質的假設來加以解釋[7-8]。這里的模擬顯示,通過給出背景轉動,在星系粒子分布不均勻的條件下,由于慣性力的作用,星系的翹曲結構就會自然地形成,不需要額外的假設。結果表明,除非星系粒子以背景角速度方向為轉軸,均勻地旋轉對稱分布,否則星系的外延部分總會出現一定的翹曲結構,這一模擬結果和天文觀測結果相符[9-10]。

3 結論和展望

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

結果表明,背景大尺度轉動,是渦旋星系產生翹曲結構的基本原因,雖然背景的大尺度轉動還是一個有待天文觀測驗證的觀點。但從文獻[7]和本文的計算分析中可以看出,背景的大尺度轉動能自洽地解釋星系的渦旋結構以及翹曲形態等現象,天文上證實只是時間問題。

由于盤面的存在,真正的多粒子星系翹曲形態和雙粒子星系給出的翹曲軌跡應該有一定差異,更精確的模擬結果需要通過N體問題模擬來加以分析[16-17]。不過從背景轉動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,也一定出現翹曲結構[18]。

[ 1 ]HENDY Y H M,SAMIR R M,SHAKER A A,et al. Statistical study of warps in a sample of spiral and lenticular galaxies[J]. Nriag Journal ofAstronomy & Geophysics, 2016,5(2):15-19.

[ 2 ]FONT A S,MCCARTHY I G,BRUN A M C L,et al. The diversity of assembly histories leading to disc galaxy formation in a Lambdamodel[J]. Astronomy & Astrophysics. 2017,223(1):71-74.

[ 3 ]ANGELA A,NATE B. The lifecycle of clusters in galaxies[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2017,72(11):559-569.

[ 4 ]趙君亮. 星系翹曲盤及其統計研究[J]. 天文學進展, 2012,30(1):77-93.

[ 6 ]NAVARRO J F,YOZIN C,LOEWEN N,et al. The innate origin of radial and vertical gradients in a simulated galaxy disc[J]. Astronomy & Astrophysics, 2017,235(16):305-309.

[ 7 ]CAO Z X,LIU L,ZHENG T T. Is the spiral galaxy acosmic hurricane[J]. arXiv:1802.02734[astro-ph.GA]

[ 8 ]GAMALELDIN A I. Optical warps in galaxies apparent optical warps in Testicular galaxies[J]. Astrophysics & Space Science, 1995,234(2):259-269.

[ 9 ]CEVERINO D,PRIMACK J,DEKEL A,et al. Formation and settling of a disc galaxya cosmological simulation[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2017,467(3):259-269.

[10]鄒長麗,曹澤新,劉玲,等. CT法測束流發射度的計算機模擬[J]. 沈陽師范大學學報(自然科學版), 2007,25(2):171-174.

[11]KENNICUTTRC J. The shapes of spiral arms along the Hubble sequence[J]. Astronomical Journal, 1981,86(3):1847-1858.

[12]WANG J,KORIBALSKI B S,JARRETT T H,et al. The local volume hi survey: star formation properties[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2017,472(2):159-169.

[13]KUIJKEN K. Galactic Disk WARPS[J]. Dynamics of Disc Galaxies, 1991,15(1):605-608.

[14]TISSERA P B,MACHADO R E G,SNCHEZBLZQUEZ P,et al. The stellar multiplicity gradients in galaxy discs in a cosmological scenario[J]. Astronomy & Astrophysics, 2016,28(1):492-498.

[15]FU J,KAUFFMANN G,HUANG M,et al. Star formation and multiplicity gradients in semi-analytic models of disc galaxy formation[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2013,434(2):1531-1548.

[16]NOGUCHI M. Barred galaxies: intrinsic or extrinsic?[J]. AstrophysicalJournal, 2016,469(4):605.

[17]RUBIN V C,FORD W K J,THONNARD N,et al. Rotational properties of 23 galaxies[J]. Astrophysical Journal, 2017,261(2):439-456.

[18]KAHN F D,WOLTER L. Intergalactic Matter and the Galaxy[J]. Astrophysical Journal, 1959,102(11):70-77.