Spiraalstelsels zijn ongetwijfeld een van de mooiste structuren in het universum. Onder één model wordt een spiraalstructuur gecreëerd door golven met een spiraaldichtheid. In een andere worden ze veroorzaakt door interacties tussen getijden. Het is deze benadering die wordt onderzocht in een nieuw artikel van Dobbs et al., Geaccepteerd voor publicatie in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Specifiek probeerden de auteurs modellering van getijdekrachten te gebruiken om de structuur van de spiraalarmen op de grote ontwerpspiraal, M51, opnieuw te creëren.
Om de interactie te modelleren, begonnen ze met een model van een eenvoudig sterrenstelsel met een massaverdeling (opgesplitst in een schijf, uitstulping en halo) vergelijkbaar met die voor M51. Hun oorspronkelijke sterrenstelsel was aanvankelijk vrij van spiraalstructuur, maar 'zwaartekrachtsinstabiliteiten in de sterren [Opmerking: in tegenstelling tot het galactische gas. Niet in individuele sterren.] Produceren een meerarmige ”en fragmentarische spiraalstructuur (bekend als een uitvlokkende spiraal). Deze vlokkige natuur werd voor het eerst voorspeld in een paper uit 1964 door Toomre en is sindsdien talloze keren gesimuleerd. Het team van Dobbs introduceerde vervolgens een puntbron om het kleinere sterrenstelsel (NGC 5195) weer te geven langs de baanparameters die waren afgeleid van eerdere simulaties van Theis en Spinneker in 2003.
Voor de eerste 60 miljoen jaar was er geen significante nieuwe structuur. De schijf vertoonde enige verstoring door de naderende metgezel, maar er ontstond geen nieuwe spiraalstructuur. Echter, tegen 120 miljoen jaar na het begin van de simulatie, beginnen hints van een spiraalarm aan de kant van de melkweg die het dichtst bij de metgezel is, zich te vormen en tegen 180 miljoen jaar domineren twee uitgesproken "grote ontwerp" spiraalarmen het oppervlak van de melkweg , die meer dan 15.000 lichtjaar beslaat.
Maar de armen waren te mooi om lang mee te gaan. Tegen 240 miljoen jaar strekken de armen zich uit tot slechts 6.500 lichtjaar, omdat de zwaartekracht van de metgezel het gas van de melkweg lijkt te leiden terwijl het in zijn baan wordt rondgetrokken. Tegen 300 miljoen jaar zijn de spiraalarmen weer gegroeid en het paar lijkt opmerkelijk veel op de huidige staat van het M51 / NGC 5195-systeem.
De auteurs merken verschillende kenmerken op die hun simulatie gemeen heeft met het waargenomen sterrenstelsel. Aan de kant waar de metgezel voor het eerst het sterrenstelsel naderde, zien ze een "knik" in één arm (aangeduid als A in afbeelding links). Een andere overeenkomst is een splitsing van een van de spiraalarmen, hoewel, nogmaals, de exacte positionering anders is (aangeduid met B).
Een andere vergelijking die de auteurs maakten, was de sterkte (of amplitude) van verschillende armpatronen (1 arm, 2 armen, 3 armen, enz ...) in de tijd. Ze ontdekten dat het twee-armige patroon het meest overheersend was, maar van de mechanica stelden ze vast dat er onderliggende hogere gewapende structuren waren die nooit volledig werden overgenomen. Deze hogere gewapende patronen kwamen echter dichtbij de kracht van de 2-armige spiraal. De auteurs merken op dat dit consistent is met de observatiebevindingen van een andere groep die M51 bestudeert in een werk dat nog moet worden voorbereid op publicatie.
Er zijn echter ook enkele verschillen. Een gaspluim stak uit van de gesimuleerde M51 die geen tegenhanger heeft in feitelijke waarnemingen (aangeduid met C). Feitelijke waarnemingen tonen grote hoeveelheden gas voor het metgezelstelsel die niet in dezelfde mate aanwezig zijn in de simulatie (aangeduid met D). Ten slotte tonen echte waarnemingen een merkbare afvlakking van de armen van de M51 die zich het dichtst bij de metgezel bevinden. Nogmaals, deze verschijnen niet in de simulatie. De auteurs suggereren dat verschillen te wijten kunnen zijn aan de te simplistische modellering van NGC 5195 als een puntbron in plaats van een uitgebreide body, of aan kleine verschillen in initiële parameters in vergelijking met het werkelijke systeem.
Zelfs met deze verschillen suggereren de auteurs dat hun modellering van de interactie aantoont dat spiraalstructuur, althans in dit geval, hoogstwaarschijnlijk het resultaat is van de getijdeninteractie op M51 door NGC 5195. Ze merken ook op dat golven met spiraaldichtheid waarschijnlijk zijn niet de boosdoener omdat andere studies niet in staat zijn geweest om een consistente "patroonsnelheid" voor het sterrenstelsel te bepalen (de patroonsnelheid is de hoeksnelheid waarmee de armen zouden roteren als ze worden gezien als een coherente structuur). Waarnemingen toonden daarentegen aan dat de armen bij verschillende radii verschillende patroonsnelheden zouden moeten hebben.
Hoewel hun werk dat niet suggereert allemaal spiraalvormige structuur wordt gevormd door getijdeninteracties met metgezellen, dit werk maakt een sterke reden voor de mogelijkheid in veel sterrenstelsels die dergelijke metgezellen zouden hebben en in het bijzonder M51. Bovendien laten de simulaties ook zien dat deze getijde-geïnduceerde armen een tijdelijk fenomeen zijn. Omdat ze geen vaste snelheid hebben, hebben ze zullen langzaam opwinden en naarmate de interactie vordert, zullen de sterrenstelsels verder worden vervormd en uiteindelijk samenvloeien.
(Met dank aan Claire Dobbs voor toestemming om afbeeldingen van het papier te reproduceren, evenals verduidelijking op een paar punten.)
