Spiralarme in Galaxien

[Philipp R.]

Liebes Forum, 

ich habe ein Verständnisproblem: wie rotieren Spiralarme in Galaxien?
Ich lese gerade von König/Binnewies den „Bildatlas der Galaxien“. Ich zitiere: „Das Auftreten von Spiralarmen kann aber nicht direkt mit der Orbitalbewegung der Sterne um das galaktische Zentrum zusammenhängen, da sonst die differentielle Rotation im Laufe der Zeit zu einem Aufwickeln der Spiralarme und (…) Zerstörung der Spiralarmstruktur geführt hätte.“
OK, das Argument verstehe ich schon nur so halb, weil zuvor davon die Rede war, dass die Rotationsgeschwindigkeit um das galaktische Zentrum v[r] für hohe r nahezu flach, also entfernungsunabhängig verläuft, aufgrund der gravitativen Wirkung der Dunklen Materie. 
Aber lesen wir weiter: „Wie also kommt es zu den Dichtewellen? Bei jeder geschlossenen Orbitalbewegung liegt zwischen der minimalen zur maximalen Distanz (…) ein Winkel von 180°. Beim Orbit innerhalb der Scheibenebene kommt es zu Abweichungen von diesem einfachen Modell, die die Umgebung das Gravitationspotential und somit die Bewegung des Körpers beeinflusst. Der Orbit eines Sterns in der galaktischen Ebene ist nicht geschlossen und die Winkeldistanz zwischen maximalem und minimalem Abstand (…) ist kleiner als 180°. (…) Der Motor der Dichtewellen liegt in der schwachen, vom Radius abhängigen Driftbewegung der Maxima der Orbits.“
Aha, also laufen diese Dichtewellen wie die Klingen eines Mixers durch die Sternensuppe der galaktischen Ebene. Nähert sich eine Dichtewelle, wird ein Stern in seinem Orbit gestört und irgendwie beschleunigt und rückt mit seinen Nachbarn zusammen, irgendwie wie die Ziehharmonikawellen in einem Autobahnstau. Aber ich habe trotzdem Fragen:

1. Wie laufen diese Dichtestörungen durch die galaktische Ebene? Angenommen dieses C hier sei ein Spiralarm und dieser Punkt . hier sei das galaktische Zentrum: C. Läuft die Dichtwelle jetzt im Uhrzeigersinn weiter wie eine Sichel (konkav)? Oder gegen den Uhrzeigersinn wie der schlabbrige Draht eines Rasentrimmers (konvex)?
2. Läuft die Dichtewelle im selben Drehsinn durch die galaktische Scheibe wie die Orbits der Sterne oder diesen Entgegen?
3. Entzieht diese monströs riesige Verquirlbewegung den Sternen Rotationsenergie? Rücken sie dabei immer näher ans Zentrum, weil sie netto langsamer werden?

Fragen über Fragen. Vielleicht hat ja einer von euch schon länger darüber nachgedacht und weiß Rat.
LG
Philipp

[Florian B.]

Servus,

ich habe das immer als Materie-Interferenzmuster gesehen, die Dichtewellen. Aber so ganz stimmt das wohl auch nicht.

In manchen Galaxien entstehen die Arme durch die Überlagerung und Wechselwirkung von verschiedenen Gravitationswellen-Moden innerhalb der galaktischen Scheibe. Wenn sich eine nach innen laufende und eine nach außen laufende Dichtewelle überlagern, kann das zu wellenartigen Schwankungen der Helligkeit führen. Was dann mathematisch einer Interferenz ähnelt.

Wen Grundlagen dazu gerade lese, dann wird klar Sterne und Gaswolken bewegen sich unabhängig von der Welle (so wie ich es bei einer Interferenz erwarten würde). Sie wandern in den Arm hinein, werden dort abgebremst (die Dichte steigt) und wandern auf der anderen Seite wieder heraus. Der Verlauf zeigt sich als Dichtewellen.

Ich hab mal KI-basiert gesucht. Die Antwort zeigt das mit den Dichtewellen ganz anschaulich. Das Prinzip des "Autobahn-Staus":

Das klassische und anschaulichste Gleichnis für die Dichtewellentheorie ist der Verkehrsstau auf einer Autobahn:

• Die Bremszone: Auf einer Autobahn gibt es eine Engstelle (z. B. eine Baustelle). Autos, die mit hoher Geschwindigkeit ankommen, müssen abbremsen. Die Dichte der Autos nimmt an dieser Stelle massiv zu.
  
• Das Durchwandern: Jedes einzelne Auto verbringt etwas Zeit im Stau, schleicht langsam hindurch, beschleunigt danach wieder und verlässt den Stau.
  
• Die permanente Struktur: Wenn man aus einem Hubschrauber von weit oben auf die Autobahn blickt, sieht der Stau vollkommen statisch und ortsfest aus. Die Form des Staus bleibt gleich, obwohl die Autos, aus denen er besteht, ständig wechseln.Genau das passiert in einer Galaxie: Die "Baustelle" ist die Dichtewelle (eine Zone mit etwas stärkerer Gravitation). Sterne und Gaswolken rasen von hinten in den Spiralarm hinein, werden durch die erhöhte Schwerkraft abgebremst, verdichten sich dort und fliegen auf der anderen Seite des Arms wieder heraus.
  

Ein Frage kann man also schonmal beantworten:
Da es eine Abbremsung gibt, muss auf jeden Fall Energie entzogen (umgewandelt) werden.

Grüße, Florian

[Philipp R.]

Es beginnt mir zu dämmern:



LG
Philipp

[Philipp R.]

Hallo liebes Forum,

ich habe mit ChatGPT ein kleines und vereinfachtes Simulationstool gebaut, um die Entstehung solcher Spiralstrukturen zu visualisieren.
Es werden in ihrer Form manipulierbare Ellipsen mit gestaffelt aufsteigenden Halbachsen und voranschreitender Präzession gezeichnet. Die Ellipsen erhalten jetzt noch kleine Epizykel, um das Wobbeln eines Sternes im lokalen Schwerefeld innerhalb der galaktischen Scheibe zu simulieren. Eine zweite Sternpopulation - vielleicht eine kannibalisierte Nachbargalaxie - kann eingeblendet und analog manipuliert werden.

           

Bei geeigneter Wahl der Parameter erscheint eine spiralförmige Textur der Dichteverteilung der Orbits mit Nebenarmen, Verzweigungen und Einmündungen.
Hat meiner Intuition weitergeholfen...
Die Spiralarme entstehen also als Eigenschaft der Verteilung der Orbits und entsprechen nur Zonen dichterer Zusammendrängung zeitweilig parallel fliegender Sterne, die dann wieder weiter auseinandergezogen werden, während jeder seinem Orbit folgt.
Die Spiralarme selbst verharren also statisch, es sei denn, jeder Sternorbit präzediert selbst - was er natürlich in echt tut. 
Das beantwortet auch meine Frage drei, die ich im Rückblick ziemlich bekloppt finde: netto wird natürlich keine Energie entzogen. Es sind alles Orbits von Sternen, die nicht miteinander kollidieren und interagieren.
Fazit: Galaxien sind keine Ventilatoren, sondern sehen halt zufällig nur so aus.
LG

Philipp