¿El sol cruza otros brazos espirales en su movimiento alrededor del centro de la galaxia?

¿Qué es un brazo espiral?

La razón por la que el Sol, en principio (pero véase más abajo), puede cruzar brazos espirales es que los brazos espirales galácticos no son entidades rígidas que consisten en algunas estrellas particulares; más bien son "olas" con un aumento temporal de densidad. Una analogía que se usa con frecuencia es la acumulación de autos detrás de un camión que se mueve lentamente: en todo momento, todos los autos avanzan, pero por un tiempo, un auto detrás del camión se moverá lentamente, hasta que lo alcance y acelere. .

De manera similar, las estrellas pueden alcanzar o ser superadas por los brazos espirales. Dentro de una cierta distancia desde el centro de la galaxia llamada radio de corotación ($R_\mathrm{c}$) las estrellas se mueven más rápido que los brazos, mientras que afuera se mueven más lento.

Dado que las estrellas y el gas interestelar siguen la rotación de los brazos durante un tiempo una vez que están dentro, la densidad de los brazos es mayor que en el exterior, pero solo por un factor de unos pocos (por ejemplo, Rix & Rieke 1993 ) .

Cuando el gas interestelar cae en el pozo de potencial, se comprime y desencadena la formación de estrellas. Dado que las estrellas más luminosas queman su combustible rápidamente, en su mayoría habrán muerto una vez que dejen un brazo. Por lo tanto, lo que vemos como brazos espirales no son tanto las estrellas adicionales, sino principalmente debido a la luz de las estrellas más jóvenes que todavía están dentro de los brazos. Dado que más luminoso también significa más caliente, su luz alcanza su punto máximo en la región azulada; por lo tanto, los brazos espirales aparecen azules.

Origen de la estructura espiral

Se cree que al menos los brazos espirales más prominentes (especialmente los grandes diseños ) son creados por estas ondas de densidad casi estacionarias y de larga duración ( Lin & Shu 1964 ). Creo que la razón por la que existen las ondas de densidad en primer lugar no se entiende bien, pero puede tener que ver con los potenciales gravitacionales anisotrópicos y/o las fuerzas de marea de las galaxias cercanas (p. ej., Semczuk et al. 2017 ) .

Pero, de hecho, incluso las pequeñas perturbaciones pueden generar inestabilidades gravitatorias que se propagan como ondas de densidad. En las simulaciones por computadora de la formación de galaxias, incluso las inestabilidades numéricas pueden causar esto, por lo que el hecho de que su galaxia simulada tenga brazos espirales no significa necesariamente que haya acertado con la física.

Cuando las estrellas luminosas y por lo tanto masivas mueren, explotan como supernovas. La retroalimentación de este proceso, así como la ejercida por la presión de radiación antes de morir, puede ayudar a mantener las ondas de densidad, al menos en galaxias floculantes ( Muller & Arnett 1972 ). Quizás esta llamada formación estelar autopropagante estocástica también pueda iniciar las ondas de densidad (ver discusión en Aschwanden et al. 2018 ).

La velocidad de rotación del material en el disco galáctico es aproximadamente constante con la distancia desde el centro (esto se debe principalmente al halo de materia oscura que alberga una galaxia). Por lo tanto, las estrellas cercanas al centro completan una revolución más rápido que las más lejanas. Por el contrario, el patrón en espiral gira más como un disco rígido de modo que, en un marco intertial, el patrón puede describirse mediante una velocidad angular constante$\Omega_\mathrm{p}$en todo el disco. Sin embargo, tenga en cuenta que los brazos espirales son fenómenos transitorios; aparecen y desaparecen con vidas del orden de (unos pocos) Myr (p. ej., Grand et al. 2012 ; 2014 ). A veces también ves múltiples patrones en espiral propagándose con diferentes velocidades.

El Sol en la Vía Láctea

Nota: esta sección primero contenía errores basados ​​en valores dudosos para la velocidad angular de los brazos en espiral, como lo señalaron @PeterErwin y @eagle275.

En el caso de nuestro Sol, estamos ubicados muy cerca del radio de rotación.$R_\mathrm{c}$; nos sentamos a una distancia de$R_0 = 8.32\,\mathrm{kpc}$del centro de la galaxia ( Gillessen et al. 2017 ), mientras que$R_\mathrm{c} = 8.51\,\mathrm{kpc}$( Dias et al. 2019 ).

Usando datos de Gaia , Dias et al. (2019) encuentra una velocidad angular patrón$\Omega_\mathrm{p} = 28.2 \pm 2.1\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}\,\mathrm{kpc}^{-1}$. En la ubicación del Sol ($R_0$) esto implica una velocidad patrón de$\simeq235\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$. Esto es solo un poco más lento que (y de hecho estadísticamente consistente con) la velocidad del Sol de$239\pm5\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}$( Colaboración Planck et al. 2018 ). Si los brazos espirales fueran "permanentes"*, la escala de tiempo para que el Sol cruce un brazo sería, por lo tanto, de gigaaños.

Sin embargo, debido a que, como se describió anteriormente, son bastante transitorios, es posible que de vez en cuando alcancemos un brazo en espiral. No he podido encontrar pruebas firmes de si nos hemos cruzado o no de brazos; Gies y Helsel (2005) argumentan que hemos cruzado un brazo cuatro veces en los últimos 500 millones de años, pero se basan en hacer coincidir épocas de glaciación con pasajes a través de brazos en espiral (y admiten que esto requiere un patrón de velocidad más bajo pero aún aceptable).

El artículo al que enlazas

Ahora le escribí a Jesse Christiansen (a quien cita el artículo vinculado) y le pregunté si sabía si nos movíamos dentro o fuera de los brazos en espiral; ella respondió en aproximadamente 8 segundos, etiquetando a Karen Masters , quien intervino aún más rápido; ambos están de acuerdo en que este es un debate en curso sin evidencia concluyente.

De todos modos, el artículo parece haber entendido mal el tweet de Jesse Christiansen. En su animación, muestra el viaje del Sol, pero muestra la propia galaxia como estática, lo que hizo a propósito para simplificar las cosas. Por lo tanto, ves al Sol atravesando los brazos con una rapidez antinatural.

Por otro lado los materiales encontrados (minerales/isótopos) muestran una clara evidencia de que el sol NO cruzó esos brazos espirales. Los brazos espirales como áreas con mayor densidad de estrellas plantean la amenaza de supernovas en las proximidades. Todo lo que hemos encontrado en la tierra lleva a la conclusión de que la tierra, y con ella el sol, nunca estuvo más cerca de 30 años luz de una supernova. Y como dice la otra respuesta, del mismo modo, el sol después de formarse nunca más estuvo cerca de una supernova. región donde se forman nuevas estrellas en las nubes de gas.

Después de lo que aprendí, el sol co-rota a la misma velocidad que los brazos espirales alrededor de la protuberancia central de la vía láctea. Por lo tanto, el adelantamiento en el gran esquema de las cosas parece poco probable, aunque la mayoría de las estrellas tienen una dirección de movimiento distinta que las hace cambiar lentamente su posición a pesar de que las llamamos estrellas fijas. Por lo tanto, durante largos períodos de tiempo, nuestra visión de las estrellas más cercanas cambia.

Como solicita fuentes y referencias, baso mis líneas en varias presentaciones del astrofísico teórico alemán Prof. Dr. Harald Lesch de la universidad de Munich.