¿Se puede modelar una galaxia espiral con una variedad similar a la de un remolino?

En la escala de los brazos espirales galácticos, el agujero negro central es completamente insignificante desde el punto de vista gravitacional . Ilustraré con un ejemplo, NGC 524. De las galaxias espirales (esto es técnicamente un S0, pero todavía hay una estructura espiral) con masas de agujeros negros medidas, NGC 524 tiene una de las más masivas. Aquí hay una foto de la galaxia:

El disco visible tiene un radio físico de aproximadamente$15\,{\rm kpc}$. Tiene una masa de agujero negro de aproximadamente$10^9\,{\rm M}_\odot$, correspondiente a un radio de Schwarzschild de$10^{-7}\,{\rm kpc}$. El agujero negro sería un poco más grande que una millonésima de píxel en esta imagen. Pero, por supuesto, el tamaño no es el parámetro clave, lo es la masa. Basado en su magnitud absoluta de banda B de$-20.7$y suponiendo una relación masa a luz de$\sim 5$( típico para un S0 ), obtengo una estimación de masa estelar cruda de$5\times10^{10}\,{\rm M}_\odot$para NGC 524. Tomando una longitud de escala exponencial conservadora de$1\,{\rm kpc}$, la mitad de la masa estelar debería estar encerrada en menos de$2\,{\rm kpc}$(aproximadamente del tamaño de la estructura espiral visible más interna en la imagen). La mitad de la masa estelar supera al agujero negro por un factor de$25$, por lo que el agujero negro no comienza a dominar la dinámica hasta bien dentro de este radio. Creo que los efectos de arrastre de tramas y radiación gravitatoria serían dominantes solo en radios aún más pequeños.

Esto , más que cualquier cosa que tenga que ver con el agujero negro, es cómo se forman los brazos espirales.

Lo que vemos cuando miramos una galaxia espiral es una vista muy distorsionada debido a que los campos de gravedad dentro de la galaxia reducen el espacio y el tiempo. Lo que parece moverse más lento de lo que debería debido a la física newtoniana en realidad se mueve a la velocidad newtoniana correcta, pero parece moverse demasiado lento debido al espacio-tiempo comprimido creado por los campos de gravedad variable en toda la galaxia.

Los campos de gravedad varían en fuerza a lo largo de la galaxia dependiendo de la distancia de los campos gravitatorios más intensos. El agujero negro en el centro obviamente tiene un gran efecto cerca de él, pero más lejos, en los cúmulos de estrellas, la gravedad local tiene un efecto mayor. Eso, combinado con la influencia gravitacional general de toda la galaxia (incluido el agujero negro), afecta la deformación y la reducción del espacio-tiempo y hace que las estrellas individuales parezcan moverse a velocidades incorrectas desde nuestro punto de vista distante.

Parece que las estrellas de los brazos espirales exteriores se están moviendo demasiado rápido para nosotros. Para explicar esto, primero debemos aceptar que toda la galaxia es mucho más grande en su masa de lo que nos parece debido a la reducción gradual del espacio-tiempo. Cada estrella se mueve a la velocidad newtoniana correcta de acuerdo con su propio espacio-tiempo. Y, por supuesto, ese espacio-tiempo variará de acuerdo con las diferentes contracciones gravitatorias en diferentes lugares. No hay necesidad de agregar masa adicional en forma de materia oscura.

Considere esta cruda analogía. En la cima del monte Everest pesas menos que al nivel del mar porque estás más lejos de la masa total de la Tierra. Ahora imagina que cavas un hoyo en el centro de la tierra. A medida que desciende, la masa de arriba aumenta y la masa de abajo disminuye. Cada kilómetro que bajas pesas menos en la báscula. Hasta que llegas al centro pesas exactamente cero. Pero, por supuesto, la Tierra no tiene un agujero negro en su centro para compararla completamente con una galaxia espiral.

Comida para el pensamiento.