Επισκόπηση της τρέχουσας κατανόησής μας για τους γαλαξιακούς σπειροειδείς βραχίονες στον Γαλαξία μας

Πόσο μακριά είμαστε από το Κέντρο του Γαλαξία;
Πόσο απέχει ο Ήλιος από το κέντρο του Γαλαξία (Γαλαξιακό Κέντρο, GC); Αρκετές πρόσφατες δημοσιεύσεις έχουν εμφανιστεί τα τελευταία 3 χρόνια σχετικά με αυτό το καυτό θέμα.
Πολλοί πρόσφατοι προσδιορισμοί της απόστασης από τον Ήλιο έως το Γαλαξιακό Κέντρο κυμαίνονται γύρω στα 8,0 kpc (περίπου 25 000 έτη φωτός) και όχι στα 8,3 ή 8,5 kpc όπως πριν.
Στον παρακάτω γαλαξιακό χάρτη, ο Ήλιος αντικαθίσταται συχνά από το Τοπικό Πρότυπο Ανάπαυσης (LSR, που φαίνεται από ένα αστέρι) και υποδεικνύονται η κατεύθυνση κίνησης (βέλος) και η ταχύτητά του (230 km/s). Επίσης, φαίνονται οι παρατηρούμενοι σπειροειδείς βραχίονες (κάθε βραχίονας με διαφορετικό χρώμα). Εμφανίζεται η κυλινδρική μπάρα εξόγκωσης (παχύ σκούρο γκρι) γύρω από το GC και η λεπτή μακριά ράβδος (ανοιχτό γκρι). Εμφανίζονται ορισμένες εφαπτόμενες στους παρατηρούμενους σπειροειδείς βραχίονες (μακριές παύλες).
Μια πρόσφατη στατιστική ανάλυση έδειξε μια γωνιακή ταχύτητα του Ήλιου και των άστρων (ύλης) που περιστρέφονται γύρω από το GC με ταχύτητα περίπου 29 km/s/kpc, ενώ το ίδιο το πιο αργό σπειροειδές σχέδιο περιστρέφεται με ταχύτητα περίπου 23 km /s/kpc. Αυτή η διαφορά ταχύτητας διασφαλίζει ότι η ύλη φτάνει στους πιο αργούς βραχίονες, σοκάρεται κατά την είσοδο από τη διαφορά βαρυτικού δυναμικού, σχηματίζει νέα αστέρια στο εσωτερικό χείλος του βραχίονα και, στη συνέχεια, εξέρχεται από τον βραχίονα στην εξωτερική άκρη του βραχίονα.

Οι σπειροειδείς βραχίονες φαίνονται διπλοί – η ράχη του CO διαφέρει από τη λωρίδα της σκόνης κατά χίλια έτη φωτός!
Επίσης, κατασκευάστηκε ένας κατάλογος εφαπτομένων από τον Ήλιο στους σπειροειδείς βραχίονες, κάθε εφαπτομένη χρησιμοποιώντας διαφορετικό χημικό ιχνηθέτη (μόριο CO, σκόνη, ουδέτερο άτομο υδρογόνου HI, αριθμός μέιζερ σε μια δεδομένη οπτική επαφή, κορυφή έντασης σύγχροτρον, κρύα σκόνη, καυτή σκόνη, κλπ). Βρέθηκε ότι ο ιχνηλάτης σκόνης διαχωρίζεται πάντα από τον ιχνηθέτη CO, κατά περίπου 310 παρσέκ (σχεδόν 1000 έτη φωτός), ο ιχνηλάτης CO ακολουθεί το μέσο του σπειροειδούς βραχίονα, ενώ ο ιχνηλάτης σκόνης ακολουθεί την εσωτερική πλευρά του βραχίονα που βρίσκεται πιο κοντά στο Γαλαξιακό Κέντρο. Φαίνεται λοιπόν ότι ένας τυπικός σπειροειδής βραχίονας μπορεί να διαχωριστεί σε «παράλληλες λωρίδες» μέσα στον βραχίονα – βλέπε Vallée 2016, Astrophys. J., 821, 53.
Μια πρόσφατη ανασκόπηση σχετικά με τους σπειροειδείς βραχίονες, όπως η κινηματική, τα πλάτη των βραχιόνων, οι διατομές των βραχιόνων, επιβεβαίωσε τις παράλληλες αλλά χωριστές λωρίδες (για σκόνη, CO, άλλους χημικούς ιχνηθέτες) σε κάθε σπειροειδή βραχίονα, στον Γαλαξία.
Στο παρακάτω διάγραμμα, για κάθε βραχίονα κατά μήκος του άξονα x, δείξαμε τις εφαπτόμενες βραχίονες που φαίνονται στο αέριο CO (με μπλε χρώμα) και τις εφαπτομένες βραχίονα που φαίνονται στη σκόνη (με κόκκινο). Για απλότητα, άλλες εφαπτόμενες βραχίονες στο ενδιάμεσο δεν εμφανίζονται. Κατά σύμβαση μεταξύ των αστρονόμων, το γαλαξιακό γεωγραφικό μήκος μειώνεται από αριστερά προς τα δεξιά.

Πού ξεκινά ο σπειροειδής βραχίονας Norma, κοντά στο Γαλαξιακό Κέντρο;
Τα παλαιότερα μοντέλα σπειροειδών βραχιόνων τοποθετούνται σε κοντινές παρατηρήσεις αστεριών και αερίων και σκόνης. Στη συνέχεια, για να πάμε πιο κάτω στον εσωτερικό γαλαξία, βρήκαμε στατιστικά τη μέση γωνία βήματος του πρόσφατα χαρτογραφημένου βραχίονα Norma σε δύο γαλαξιακά τεταρτημόρια (που παρατηρήθηκαν εφαπτομενικά σε γαλαξιακά γεωγραφικά μήκη κοντά l=328 και κοντά σε l=20), χρησιμοποιώντας τη διπλή εφαπτομένη μέθοδο, και ελήφθη -13,7±1,4. Συγκρίναμε με άλλες μετρήσεις στη βιβλιογραφία. Αυτή η διαδικασία απέδωσε μια πολύ ακριβή γωνία βήματος.
Πρόσφατα, προχωρώντας ακόμα πιο κάτω από αυτό το μονοπάτι, ανακαλύψαμε ότι ο βραχίονας Norma ξεκινά περίπου 2,2 kiloparsecs (περίπου 7 000 έτη φωτός) από το Γαλαξιακό Κέντρο (GC), όπως αποδεικνύεται από πρόσφατους προσδιορισμούς των εφαπτομένων βραχίονα σε διάφορους ιχνηθέτες εκεί. Το νέο μας μοντέλο διαφέρει από όλα τα παλαιότερα μοντέλα, καθώς τα παλαιότερα μοντέλα ξεκίνησαν τους βραχίονες τους στην περιοχή από 3,1 έως 4,0 kpc από το Γαλαξιακό Κέντρο (χωρίς πρόσφατες παρατηρήσεις ιχνηλατών βραχιόνων εκεί).
Ένα σκίτσο της πρόσοψης των σπειροειδών βραχιόνων (και του Ήλιου) παρουσιάζεται παρακάτω. Εμφανίζεται το νέο μοντέλο (2017, συνεχής κόκκινη καμπύλη) του βραχίονα Norma, μαζί με την προηγούμενη παρουσίαση (2008, καμπύλη με κόκκινα διαμάντια).

Γιατί υπάρχουν τόσοι πολλοί βραχίονες "τριών κιλοπαρσέκων";
Πολλά χαρακτηριστικά κοντά στο Γαλαξιακό Κέντρο (GC) έχουν ονομαστεί «όπλα 3 κιλοπαρσέκων». Παρά την ονομασία τους ως «Σχεδόν βραχίονες 3 κιλοπαρσέκων» ή «Μακριά βραχίονες 3 κιλοπαρσέκων», αυτά τα χαρακτηριστικά δεν είναι μεγάλα όπλα.
Επίσης, τα δεδομένα ακτινικής ταχύτητας στους λεγόμενους «βραχίονες 3-kpc» δεν συμπίπτουν με τις ακτινικές ταχύτητες των μεγάλων σπειροειδών βραχιόνων.
Τι είναι, λοιπόν;
Φτάσαμε σε ένα σημείο να έχουμε πάρα πολλά αποκλίνοντα δεδομένα, γεγονός που καθιστά δύσκολο τον περιορισμό από ένα ενιαίο φυσικό μοντέλο. Τα διαφορετικά χαρακτηριστικά τους υποδηλώνουν διαφορετικά φυσικά και δυναμικά αντικείμενα.
Πρόσφατα, μπορέσαμε να συνδέσουμε μερικούς «βραχίονες 3 kpc» μακριά από το GC (εκτός 13 μοιρών σε γαλαξιακό γεωγραφικό μήκος) ως επέκταση σε μερικούς από τους μακριούς σπειροειδείς βραχίονες (Norma, κ.λπ.). Μερικά από αυτά τα χαρακτηριστικά συνδέονται με τους παρατηρούμενους κύριους σπειροειδείς βραχίονες:τον εσωτερικό βραχίονα του Περσέα, τον εσωτερικό βραχίονα του Τοξότη, τον εσωτερικό βραχίονα Norma και τον εσωτερικό βραχίονα Scutum. Οι μικρές διαφορές ταχύτητάς τους μπορεί να οφείλονται σε αναταράξεις γύρω από ένα σοκ σε ένα κύμα γαλαξιακής πυκνότητας μεταξύ 2 και 4 kpc από το Γαλαξιακό Κέντρο.
Γαλ. γεωγραφικά μήκη (0) | περιοχή GC. (kpc) | βραχίονας 3 κιλοπαρσέκων |
-22 έως -24 | 3,0 έως 3,3 | εφαπτομένη στον «εσωτερικό βραχίονα του Περσέα» κοντά στο -23 |
-13 έως -21 | 1,5 έως 2,9 | εφαπτομένη στον «εσωτερικό βραχίονα Τοξότη» στο -17 |
+13 έως +24 | 1,7 έως 3,3 | εφαπτομένη στον «εσωτερικό βραχίονα Norma» κοντά στο +20 |
+25 έως +27 | 3,4 έως 3,6 | εφαπτομένη στον βραχίονα Scutum κοντά στο +30 |
Αλλά αυτά τα χαρακτηριστικά των «βραχίων 3 kpc» πολύ κοντά στο Γαλαξιακό Κέντρο (εντός 13 μοιρών του Γαλαξιακού γεωγραφικού μήκους) μπορεί να είναι διαφορετικά από εκείνα που βρίσκονται πιο μακριά (με διαφορετικές ιδιότητες). Αυτά τα πιο κοντινά χαρακτηριστικά μπορεί να οφείλονται σε μια πυρηνική περιστροφή μεταξύ 0 και 2 kpc από την περιοχή του Γαλαξιακού Κέντρου ή σε μια πιθανή ακτινική διαστολή μεταξύ 0 και 4 kpc από το Γαλαξιακό Κέντρο. Κάποια από αυτά τα χαρακτηριστικά μπορεί επομένως να σχετίζονται με τις παρατηρούμενες κεντρικές ράβδους. Περισσότερες λεπτομέρειες στο Vallee, J.P., 2017, Astrophys. Space Sci, 362, 84.
Η μεγάλη γωνιακή κατανομή των σπειροειδών βραχιόνων – καλύτερο βήμα βραχίονα
Ο Γαλαξίας έχει χωριστεί σε τέσσερα γαλαξιακά τεταρτημόρια. Κοιτάζοντας προς τα μέσα προς το Γαλαξιακό Κέντρο, υπάρχουν δύο τεταρτημόρια:«IV» από γεωγραφικό μήκος 270 μοίρες έως 360 μοίρες (GC) και μετά «Ι» από τις 0 μοίρες (GC) έως τις 90 μοίρες γεωγραφικού μήκους. Ομοίως, κοιτάζοντας προς τα έξω μακριά από το GC προς το Αντι-Γαλαξιακό Κέντρο, υπάρχουν δύο τεταρτημόρια:«II» από γεωγραφικό μήκος 90 μοίρες έως 180 μοίρες (Anti-GC) και «III» από το Anti-GC έως 270 μοίρες .
Ποιες μέθοδοι είναι καλύτερες για τη μέτρηση της γωνίας κλίσης ενός πολύ μεγάλου σπειροειδούς βραχίονα;
Από τον Ήλιο, θα μπορούσε κανείς να κοιτάξει κάτω στα δεξιά του Γαλαξιακού Μεσημβρινού (γεωγραφικό μήκος μηδέν) και να φτάσει σε έναν σπειροειδή βραχίονα (Τοξότης, ας πούμε, στο γεωγραφικό μήκος lI ). Στη συνέχεια, μπορούμε να κοιτάξουμε προς τα κάτω στα αριστερά του Γαλαξιακού Μεσημβρινού και να φτάσουμε στον ίδιο σπειροειδή βραχίονα (Carina, ας πούμε, στο γεωγραφικό μήκος lIV ). Και στις δύο περιπτώσεις, έχουμε φτάσει στον ίδιο σπειροειδή βραχίονα (ο βραχίονας Καρίνα-Τοξότης). Όπως φαίνεται σε άλλους γαλαξίες, οι σπειροειδείς βραχίονες διαμορφώνονται λογαριθμικά (φυσικός λογάριθμος, ln), επομένως μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει τριγωνομετρικές συναρτήσεις όπως ημιτονοειδή (sin) και εφαπτομένες (tan) και γωνίες pi και να εισαγάγει αυτά τα δύο «ευαπτόμενα γαλαξιακά γεωγραφικά μήκη» l μέσα μια υπέροχη εξίσωση, για να ληφθεί μαθηματικά η άγνωστη γωνία βήματος p. Αυτή η υπέροχη εξίσωση φαίνεται στο σχήμα εδώ.

Κάποιος μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτήν την υπέροχη εξίσωση ανεξάρτητα, είτε για CO, είτε για καυτή σκόνη, είτε για ραδιομείζερ, είτε για περιοχές HII,… Στον Γαλαξία, χρησιμοποιώντας πολλούς σπειροειδείς βραχίονες και πολλούς ιχνηθέτες χημικών βραχιόνων, τότε αυτή η εξίσωση αποδίδει το βήμα p, περίπου στις 13 μοίρες.

Μια νέα εφαρμογή στη δυναμική μεγάλης κλίμακας των σπειροειδών βραχιόνων – υψηλότερες ταχύτητες τώρα
Έχοντας λάβει το καλύτερο βήμα βραχίονα (13 μοίρες) και την καλύτερη προέλευση κάθε σπειροειδούς βραχίονα (2,2 kpc) από το Γαλαξιακό Κέντρο (GC) και την καλύτερη απόσταση του Ήλιου από το Γαλαξιακό Κέντρο (8,0 kpc) και την καλύτερη τροχιακή κυκλική ταχύτητα γύρω από το GC (230 km/s), τότε τι; Μπορούμε τώρα να παρέχουμε το καλύτερο δυναμικό μοντέλο που ταιριάζει στους σπειροειδείς βραχίονες!
Με μια τόσο πιο κοντινή αρχή για κάθε σπειροειδή βραχίονα και τις συνήθεις παραδοχές συμμετρίας και λογαριθμικού σχήματος βραχίονα, αναβαθμίσαμε τη δυναμική μας μοντελοποίηση και βγήκαμε με τη νέα κινηματική παρακάτω. Εμφανίζεται πρώτα μια όψη προς το GC. Κάθε βραχίονας έχει σχεδιαστεί με διαφορετικό χρώμα. Το γαλαξιακό γεωγραφικό μήκος εκτείνεται στην οριζόντια κλίμακα, από 90 μοίρες έως 0 μοίρες (GC) έως -90 μοίρες (γνωστός και ως 270 μοίρες). Παρατηρούνται ταχύτητες (ακτινικές ταχύτητες όπως φαίνεται από έναν αστρονόμο στη Γη) έως και 160 km/s (φεύγοντας από εμάς) και κάτω από -160 km/s (έρχονται προς το μέρος μας).

Εμφανίζεται μια άλλη όψη, προς το Anti-GC. Κάθε βραχίονας έχει σχεδιαστεί με διαφορετικό χρώμα. Το γαλαξιακό γεωγραφικό μήκος εκτείνεται στην οριζόντια κλίμακα, από 90 μοίρες έως 180 μοίρες (Anti-GC) έως 270 μοίρες. Παρατηρούνται ταχύτητες (ακτινικές ταχύτητες όπως φαίνεται από έναν αστρονόμο στη Γη) έως και 160 km/s (φεύγοντας από εμάς) και κάτω από -160 km/s (έρχονται προς το μέρος μας).

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στα ακόλουθα άρθρα:
- Πρόσφατες εξελίξεις στον προσδιορισμό ορισμένων γαλαξιακών σταθερών [Αστροφυσική και Διαστημική Επιστήμη , τ.362, άρθρ.79]
- Στους πολλούς βραχίονες 3 κιλοπαρσέκων – κρουστικό κύμα και πυρηνική περιστροφή [Αστροφυσική και διαστημική επιστήμη , τ.362, άρθρ.84]
- Ο σπειροειδής βραχίονας Norma:γωνία κλίσης μεγάλης κλίμακας [Αστροφυσική και διαστημική επιστήμη , τ.362, άρθρ.175]
- Περιορισμός της γωνίας βήματος των γαλαξιακών σπειροειδών βραχιόνων [New Astronomy Review, vol.79, p.49]
- Ένας καθοδηγούμενος χάρτης με τους σπειροειδείς βραχίονες στον γαλαξιακό δίσκο [Astronomical Review, vol.13, p.113)
Επικεφαλής αυτής της εργασίας ήταν ο Jacques Vallée από το Εθνικό Συμβούλιο Ερευνών του Καναδά.