Spiral structure and chaos in N-body models of galactic discs
Authors: Ζουλούμη Κωνσταντίνα 
Published: September 2024

Η κατανόηση της φύσης των σπειροειδών βραχιόνων στους γαλαξίες είναι ένα δύσκολο και ανοιχτό αστρονομικό πρόβλημα. Υπάρχουν πολλά ανοιχτά προβλήματα ως προς τη μελέτη της σπειροειδούς δομής, που αφορούν την προέλευση, την εξέλιξη και μακροβιότητα των σπειροειδών βραχιόνων. Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται διάφορες δυναμικές προσεγγίσεις που επιτρέπουν την ερμηνεία των παρατηρούμενων γαλαξιακών μορφολογιών. Τέτοιες προσεγγίσεις αναδεικνύουν και το ρόλο του χάους και των μη γραμμικών φαινομένων, και συγκεκριμένα πως αυτά συμβάλλουν στη σταθερότητα και συνοχή των σπειροειδών δομών. Τις τελευταίες δεκαετίες, τα αποτελέσματα πολλών ερευνών στη δυναμική των γαλαξιών έχουν δείξει ότι οι γαλαξίες υφίστανται μια σημαντική μακροχρόνια εξέλιξη. Τα φαινόμενα συγχώνευσης γαλαξιών μπορούν επίσης να επηρεάσουν άμεσα τη δυναμική ενός γαλαξιακού συστήματος. Επιπλέον, οι παρατηρήσεις, καθώς και οι προσομοιώσεις N-σωμάτων ραβδωτών σπειροειδών γαλαξιών δίνουν ισχυρές ενδείξεις για την παρουσία πολλαπλών ταχυτήτων περιστροφής των εκάστοτε δομών σε γαλαξιακούς δίσκους. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την υπόθεση μιας μοναδικής ταχύτητας περιστροφής, που υιοθετείται σε πολλά βασικά θεωρητικά μοντέλα σπειροειδούς δομής. Η θεωρία των κυμάτων πυκνότητας, καθώς και η θεωρία των αναλλοίωτων πολλαπλοτήτων για τη σπειροειδή δομή είναι παραδείγματα τέτοιων μοντέλων. Υπό το φως αυτών των παρατηρήσεων, αναδεικνύεται ότι πρέπει να αναπτυχθούν περαιτέρω δυναμικά μοντέλα σπειροειδούς δομής, ώστε να προσαρμοστούν στα πρόσφατα αποτελέσματα που προέρχονται από παρατηρήσεις και προσομοιώσεις Ν-σωμάτων. Στην παρούσα διατριβή κατασκευάζουμε δυναμικά μοντέλα της σπειροειδούς δομής σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις: (α) στην περίπτωση μιας προσομοίωσης Ν-σωμάτων ενός ραβδωτού σπειροειδούς γαλαξία και (β) στην περίπτωση ενός θεωρητικού δυναμικού γαλαξιακού μοντέλου παρόμοιο με τον Γαλαξία μας (Μοντέλο τύπου Milky Way). Η φύση των τροχιών των αστέρων που στηρίζουν τους σπειροειδείς βραχίονες διαφέρει σε αυτές τις δύο περιπτώσεις, αναδεικνύοντας έτσιδύο διαφορετικούς μηχανισμούς υποστήριξης της σπειροειδούς δομής. Στην πρώτη περίπτωση, των ραβδωτών σπειροειδών γαλαξιών, οι σπείρες δημιουργούνται από χαοτικές τροχιές και προσεγγίζονται μέσα από τη θεωρία των αναλλοίωτων πολλαπλοτήτων. Αντίθετα στη δεύτερη περίπτωση, των κανονικών σπειροειδών γαλαξιών, οι σπειροειδείς βραχίονες κατασκευάζονται από οργανωμένες τροχιές («μεταπίπτουσες ελλείψεις»). Στην περίπτωση της προσομοίωσης Ν-σωμάτων έχουμε ένα αυτοσυνεπές μοντέλο Ν-σωμάτων ενός ραβδωτού σπειροειδούς γαλαξία. Από τις θέσεις και τις ταχύτητες των σωμάτων της προσομοίωσης μπορούμε να λάβουμε σημαντικές πληροφορίες που χρησιμοποιούνται στη περαιτέρω μοντελοποίηση, όπως τα σώματα, την επιφανειακή πυκνότητα, τη μέση ταχύτητα και το βαρυτικό δυναμικό σε κάθε σημείο του επιπέδου του γαλαξιακού δίσκου. Στη συνέχεια προχωράμε στον υπολογισμό των αναλλοίωτων πολλαπλοτήτων που υποστηρίζουν τις σπείρες με μία ταχύτητα περιστροφής ή με πολλαπλές ταχύτητες περιστροφής στο γαλαξιακό δίσκο. Παρατηρούμε επίσης την εξέλιξη των αναλλοίωτων πολλαπλοτήτων μαζί με τις μακροχρόνια εξελισσόμενες δομές στο δίσκο. Στην περίπτωση του θεωρητικού μοντέλου για τον Γαλαξία, υπολογίζουμε, αντ’ αυτού, μοντέλα σπειρών που βασίζονται στην υπέρθεση περιοδικών τροχιών της οικογένειας των «μεταπιπτουσών ελλείψεων». Σε αυτή την περίπτωση, διερευνούμε πώς συνεργάζονται οι τρεις κύριες παράμετροι του μοντέλου, και πιο συγκεκριμένα η ταχύτητα περιστροφής των σπειροειδών βραχιόνων, το πλάτος της σπειροειδούς διαταραχής και η γωνία κλίσης των σπειρών, ώστε νααναπαράγουν ρεαλιστικά κύματα σπειροειδούς πυκνότητας.