Spiralgalaxien sind zweifellos eine der schönsten Strukturen im Universum. Unter einem Modell wird die Spiralstruktur durch Spiraldichtewellen erzeugt. In einem anderen Fall werden sie durch Gezeitenwechselwirkungen induziert. Dieser Ansatz wird in einem neuen Artikel von Dobbs et al. Untersucht, der zur Veröffentlichung in den Monthly Notices der Royal Astronomical Society angenommen wurde. Insbesondere versuchten die Autoren, mithilfe der Modellierung von Gezeitenkräften die Struktur der Spiralarme auf der großen Designspirale M51 wiederherzustellen.
Um die Wechselwirkung zu modellieren, begannen sie mit einem Modell einer einfachen Galaxie mit einer Massenverteilung (aufgeteilt in eine Scheibe, eine Ausbuchtung und einen Lichthof) ähnlich der für M51. Ihre ursprüngliche Galaxie war anfangs frei von Spiralstrukturen, aber „Gravitationsinstabilitäten in den Sternen [Anmerkung: im Gegensatz zum galaktischen Gas. Nicht in einzelnen Sternen.] Erzeugen eine mehrarmige und fleckige Spiralstruktur (bekannt als Flockungsspirale). Diese flockige Natur wurde erstmals 1964 in einem Artikel von Toomre vorhergesagt und seitdem mehrfach simuliert. Das Team von Dobbs führte dann eine Punktquelle ein, um die kleinere Galaxie (NGC 5195) entlang der Orbitalparameter darzustellen, die aus früheren Simulationen von Theis und Spinneker im Jahr 2003 abgeleitet wurden.
In den ersten 60 Millionen Jahren gab es keine signifikanten neuen Strukturen. Die Scheibe zeigte aufgrund des sich nähernden Begleiters eine gewisse Störung, es entstand jedoch keine neue Spiralstruktur. 120 Millionen Jahre nach Beginn der Simulation bilden sich jedoch Hinweise auf einen Spiralarm auf der Seite der Galaxie, die dem Begleiter am nächsten liegt, und 180 Millionen Jahre dominieren zwei ausgeprägte Spiralarme mit „großartigem Design“ das Gesicht der Galaxie über 15.000 Lichtjahre.
Aber die Arme waren zu gut, um zu halten. Nach 240 Millionen Jahren erstrecken sich die Arme nur auf nur 6.500 Lichtjahre, da die Gravitationskräfte des Gefährten das Gas der Galaxie zu hüten scheinen, wenn es in seiner Umlaufbahn herumgezogen wird. In 300 Millionen Jahren sind die Spiralarme wieder gewachsen und das Paar sieht dem gegenwärtigen Zustand des M51 / NGC 5195-Systems bemerkenswert ähnlich.
Die Autoren stellen mehrere Merkmale fest, die ihre Simulation mit der beobachteten Galaxie gemeinsam hat. Auf der Seite, auf der sich der Begleiter der Galaxie zum ersten Mal näherte, bemerken sie einen „Knick“ in einem Arm (im Bild links als A gekennzeichnet). Eine weitere Ähnlichkeit ist die Aufteilung eines der Spiralarme, obwohl auch hier die genaue Positionierung unterschiedlich ist (mit B bezeichnet).
Ein weiterer Vergleich der Autoren betraf die Stärken (oder Amplituden) verschiedener Armmuster (1 Arm, 2 Arm, 3 Arm usw.) im Zeitverlauf. Sie fanden heraus, dass das zweiarmige Muster das vorherrschende war, aber anhand der Mechanik stellten sie fest, dass höher bewaffnete Strukturen zugrunde lagen, die sich nie vollständig durchsetzten. Diese höher bewaffneten Muster kamen jedoch schließen auf die Stärke der 2-Arm-Spirale. Die Autoren stellen fest, dass dies mit den Beobachtungsergebnissen einer anderen Gruppe übereinstimmt, die M51 in einer Arbeit untersucht, die noch nicht zur Veröffentlichung vorbereitet wurde.
Es gibt jedoch auch einige Unterschiede. Eine Gaswolke strömte aus dem simulierten M51, der kein Gegenstück zu tatsächlichen Beobachtungen hat (mit C bezeichnet). Aktuelle Beobachtungen zeigen große Gasmengen vor der Begleitgalaxie, die in der Simulation nicht in gleichem Maße vorhanden sind (mit D bezeichnet). Schließlich zeigen reale Beobachtungen eine merkliche Abflachung der M51-Arme, die dem Begleiter am nächsten sind. Auch diese erscheinen nicht in der Simulation. Die Autoren schlagen vor, dass Abweichungen auf die zu vereinfachte Modellierung von NGC 5195 als Punktquelle anstelle eines erweiterten Körpers oder auf geringfügige Unterschiede bei den Anfangsparametern im Vergleich zum tatsächlichen System zurückzuführen sein könnten.
Trotz dieser Unterschiede schlagen die Autoren vor, dass ihre Modellierung der Wechselwirkung zeigt, dass die Spiralstruktur zumindest in diesem Fall höchstwahrscheinlich das Ergebnis der Gezeitenwechselwirkung auf M51 durch NGC 5195 ist. Sie stellen auch fest, dass Spiraldichtewellen wahrscheinlich sind nicht der Schuldige, da andere Studien nicht in der Lage waren, eine konsistente „Mustergeschwindigkeit“ für die Galaxie zu bestimmen (die Mustergeschwindigkeit ist die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich die Arme drehen würden, wenn sie als kohärente Struktur betrachtet würden). Stattdessen zeigten Beobachtungen, dass die Arme unterschiedliche Mustergeschwindigkeiten bei unterschiedlichen Radien haben sollten.
Obwohl ihre Arbeit das nicht nahelegt alle Die Spiralstruktur wird durch Gezeitenwechselwirkungen mit Gefährten gebildet. Diese Arbeit spricht stark für die Möglichkeit in vielen Galaxien, die solche Gefährten und M51 im Besonderen haben würden. Darüber hinaus zeigen die Simulationen auch, dass diese durch Gezeiten verursachten Arme ein vorübergehendes Phänomen sind. Da sie keine feste Geschwindigkeit haben, haben sie werden langsam aufwickeln und mit fortschreitender Wechselwirkung werden die Galaxien weiter verzerrt und verschmelzen schließlich.
(Vielen Dank an Claire Dobbs für die Erlaubnis, Bilder vom Papier zu reproduzieren und einige Punkte zu klären.)
