La Via Lattea: spirali e orientazione

La geometria dei bracci si determina confrontando le velocità radiali delle stelle a noi prossime a distanze differenti. A causa dell’interazione gravitazionale le stelle/gas oscillano a cavallo dell’orbita secondo movimenti periodici sul piano galattico con una frequenza detta frequenza epiciclica in parte all’interno ed in parte all’esterno a seconda di quale forza prevale maggiormente: la forza centrifuga o la forza gravitazionale e lo stesso fa il Sistema Solare.

Le strutture e la formazione delle spirali hanno costituito un pensiero per gli astronomi: le parti esterne del disco hanno una rotazione angolare più lenta di quelle interne; che col tempo porterebbero la spirale a riavvolgersi su sé stessa fino a scomparire, ma in realtà non è così. I bracci disegnano visivamente delle strutture a spirale che cambiano nel tempo a causa della rotazione differenziale che permane dinamicamente nel tempo. Le spirali non hanno nulla a che vedere con il percorso di rotazione delle stelle: ogni sistema stellare percorre la propria rivoluzione su un’orbita ellittica, ognuna diversa dall’altra. Possiamo vedere le braccia di una galassia a spirale come una zona di maggiore densità stellare ove il gas interstellare risulta più denso, e quindi più compatto: l’onda d’urto che si genera favorisce, all’interno di queste zone di maggiore densità, la nascita di nuove stelle. I bracci ruotano anche essi intorno alla Galassia ma si muovono a velocità leggermente diversa fra di loro, quindi un po’ alla volta le stelle oltre a rivoluzionare intorno al centro della galassia, slittano da un braccio all’altro. L’insieme di queste orbite stellari mediate su tutte le stelle sfasate casualmente fra loro, induce una torsione delle orbite man mano che l’onda procede. Nel 1964 il matematico Chia-Chiao (1916 – 2013) e Frank Shu (1943 -) riformularono questo concetto specificando che la spirale che caratterizza il disegno della Via Lattea visto “dall’alto” è il risultato che emerge dall’inviluppo di onde di densità che si muovono: l’onda di densità si muove a circa 30 Km/s, mentre le stelle si muovono con una velocità di circa 250 Km/s. Questo significa il nostro Sistema Solare, si muove rispetto alle onde, attraversandole. Il percorso delle stelle è comunque circolare intorno al centro, non segue quindi i percorsi delle spirali che rappresentano un fenomeno ottico.

Per capire meglio come la struttura spirale possa perdurare nel tempo, gli astronomi hanno separato la struttura dei bracci dalla cinematica del disco con la rotazione differenziale della Galassia.  La teoria delle onde di densità proposta inizialmente da Lindblad nel 1941 venne studiata in seguito da Lin, Shu e Yaun dal punto di vista matematico facendo analogie con processi di fluidodinamica di un disco gassoso molto sottile. Il risultato portò all’introduzione di due effetti di risonanza: risonanza interna (RIL) e risonanza esterna di Lindblad (REL). Le onde di densità (onde di compressione e rarefazione del gas) si propagano all’interno di questo anello circolare compreso fra RIL e REL e si muovono a velocità angolare ωW costante (ωREL ≤ ωW ≤ ωRIL) nello stesso verso della materia del disco.

Sul disco galattico si identificano così tre zone:

  1. Una zona cin cui la velocità angolare dell’onda ωW è uguale alla velocità di rotazione del disco stellare ωC: in questa zona l’onda e le stelle (e gas) sono co-rotazionali: si muovono assieme.
  2. Una zona (corona circolare) in cui le stelle e il gas interstellare hanno una velocità angolare ωRIL > ωW. Le stelle quindi raggiungeranno l’onda di densità comprimendola ed attraversandola. All’uscita le stelle e i gas usciranno di nuovo con la stessa velocità e densità iniziale.
  3. Una zona (corona circolare) in cui la velocità dell’onda di densità ωW > ωREL. In questo caso è l‘onda di densità a raggiungere il gas interstellare e le stelle, le quali vengono compresse. L’onda quindi le supererà riprendendo la velocità iniziale.

Il risultato “visivo” sulla Galassia è la nascita di una struttura a spirale: le spirali e la barra sono un continuo risultato di effetti dinamici nel tempo.

Formazione delle spirali all’interno delle risonanze di Lindblad. Disegno dell’autore

 

Alcuni esempi di formazione di spirali e barra


Orientazione Abbiamo detto che siamo a 27.000 anni luce dal centro, in una zona periferica della Via Lattea che G. Gonzales negli anni ’90 ha definito come Zona Galattica Abitabile (GHZ). Il piano dell’eclittica non è complanare col piano galattico, infatti il primo è inclinato di 60° rispetto a quest’ultimo, come mostrato in figura:

Il Sistema Solare possiede tre movimenti principali, ognuno con la sua direzione e velocità:

  1. Rotazione intorno al centro galattico
  2. Movimento N/S oscillatorio sul piano galattico
  3. Movimento I/O oscillatorio sul piano galattico

Vediamo in dettaglio la descrizione di ogni moto.

(continua)

Bibligrafia e riferimenti

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