Klasifikace galaktických tvarů podle Hubbleovy ladičky, eliptické galaxie, spirály s příčkou, Sérsicův fotometrický profil a teorie hustotních vln.

Obsah hesla

[Rejstřík]

1.Hubbleova ladička: Tři hlavní galaktické rodiny
1.1Eliptické galaxie (E0 až E7)
1.2Běžné spirální galaxie (Sa, Sb, Sc, Sd)
1.3Spirální galaxie s příčkou (SBa, SBb, SBc)
1.4Čočkové galaxie (S0 / SB0)
2.Nepravidelné galaxie (Irr)
3.Proč spirální ramena nezmizí? Teorie hustotních vln

Morfologie galaxií: Od Hubbleovy ladičky k barevnému vesmíru

Vesmír je zabydlen stovkami miliard galaxií nejrůznějších tvarů, rozměrů a barev – od majestátních rotujících spirál s modrými rameny přes obří beztvaré eliptické obry až po chaotické nepravidelné trpaslíky. Morfologie galaxií je vědní obor, který tyto tvary klasifikuje a studuje, jak tvar galaxie souvisí s jejím vznikem, obsahem mezihvězdného plynu a životním cyklem jejích hvězd.

Základní systém třídění vytvořil v roce 1926 slavný americký astronom Edwin Hubble. Jeho grafické schéma je dodnes známé po celém světě jako Hubbleova ladička (Hubble tuning-fork diagram).

1. Hubbleova ladička: Tři hlavní galaktické rodiny #

Hubble rozdělil galaxie podle jejich vizuálního vzhledu do tří hlavních větví:

1. Eliptické galaxie (E0 až E7) #

Tvoří „rukojeť“ ladičky. Mají tvar hladkého elipsoidu bez jakékoli vnitřní spirální struktury či disku.
Číslice za písmenem E označuje míru zploštění: E0 je dokonale kulatá galaxie, zatímco E7 je extrémně protáhlá jako doutník.
Červené a mrtvé: Jsou tvořeny téměř výhradně starými žlutými a červenými hvězdami (Populace II) a prakticky postrádají chladný plyn a prach. V eliptických galaxiích již nevznikají žádné nové hvězdy – jde o „hvězdné domovy důchodců“. Patří k nim největší známé galaxie ve vesmíru (obří eliptické galaxie v centrech kup, jako je IC 1101 či M87).

2. Běžné spirální galaxie (Sa, Sb, Sc, Sd) #

Tvoří horní rameno ladičky. Mají výrazný plochý rotující disk, centrální jasnou výduť a nádherná spirální ramena.
Třída Sa: Mohutná centrální výduť a těsně navinutá hladká ramena.
Třída Sc/Sd: Malá centrální výduť a volně rozevřená, hrudkovitá ramena plná zářících modrých hvězdokup a mlhovin.
Aktivní továrny na hvězdy: Spirální galaxie překypují chladným plynem a prachem, v němž neustále vznikají celé generace nových hvězd.

3. Spirální galaxie s příčkou (SBa, SBb, SBc) #

Tvoří dolní rameno ladičky. Přibližně dvě třetiny všech spirálních galaxií nemají kulovité jádro, nýbrž jejich středem prochází rovná hvězdná příčka (bar), z jejíchž konců teprve vybíhají spirální ramena. Do této rodiny patří i naše Mléčná dráha.

4. Čočkové galaxie (S0 / SB0) #

Přechodový typ ležící v bodě, kde se ladička větví. Mají plochý disk i centrální výduť jako spirální galaxie, ale nemají žádná spirální ramena a vyčerpaly všechen plyn jako galaxie eliptické.

2. Nepravidelné galaxie (Irr) #

Některé galaxie do Hubbleovy ladičky nezapadají: nemají žádnou pravidelnou symetrii, rotační osu ani zřetelné jádro. Nazýváme je nepravidelné galaxie (Irregular).

Nejznámějšími zástupci jsou naši jižní sousedé – Velké a Malé Magellanovo mračno. Tento chaotický tvar často vzniká gravitačním roztrháním a slapovými srážkami s většími sousedními galaxiemi.

3. Proč spirální ramena nezmizí? Teorie hustotních vln #

Pokud by spirální ramena byla pevnými strukturami tvořenými stále stejnými hvězdami, diferenciální rotace galaxie (vnitřek obíhá rychleji než vnější okraj) by je během několika set milionů let zcela zavinula a zničila (tzv. dilema zavinutí).

V 60. letech 20. století astronomové C. C. Lin a Frank Shu prokázali, že spirální ramena nejsou hmotné objekty, nýbrž hustotní vlny!

Chovají se jako dopravní zácpa na dálnici: auta (hvězdy) jedou rychle, v místě zácpy přibrzdí a nahustí se k sobě, a za zácpou se opět rozjedou.
Když mezihvězdný plyn vstoupí do hustotní vlny, prudce se stlačí. Tento nárazový šok zažehne lavinovitý vznik nových zářivých modrých hvězd. Tyto obří hvězdy žijí jen několik milionů let, a proto nestihnou z hustotní vlny vycestovat a umírají přímo v ní. Proto jsou spirální ramena na fotografiích tak nápadně modrá a jasná.

Odborný astrofyzikální text včetně stavových rovnic, efemerid a spektrální klasifikace.

Profi režim

Kvantitativní fotometrie a dynamika galaktických struktur: Sersicův profil, Lin-Shuova teorie hustotních vln a fundamentální rovina

Kvantitativní morfologie galaxií transformovala vizuální klasifikaci do parametrických fotometrických profilů povrchového jasu $I(r)$ a fázových integrálů gravitační hydrodynamiky.

1. Analytické profily povrchového jasu (Sérsicův zákon) #

Univerzální rozložení radiálního profilu povrchového jasu galaxií formuloval José Luis Sérsic (1963):

I(r) = I_e \exp\left\{ -b_n \left[ \left(\frac{r}{r_e}\right)^{1/n} - 1 \right] \right\}

Kde:

$r_e$ je efektivní poloměr obsahující $50,%$ celkového záření galaxie (half-light radius)
$I_e \equiv I(r_e)$ je povrchový jas na efektivním poloměru
$n$ je Sérsicův index charakterizující tvar a koncentraci profilu
Faktor $b_n$ je numericky svázán s $n$ přibližným vztahem $b_n \approx 2n - \frac{1}{3} + \frac{0{,}0098}{n}$

Mezní případy: #

de Vaucouleursův profil ( $n = 4$ ):

I(r) = I_e \exp\left\{ -7{,}669 \left[ \left(\frac{r}{r_e}\right)^{1/4} - 1 \right] \right\}

Přesně popisuje sférické a eliptické galaxie s vysokou centrální koncentrací a rozsáhlými difuzními křídly.
2. Exponenciální disk ( $n = 1$ ):

I(r) = I_0 \exp\left( -\frac{r}{h_R} \right), \quad h_R = \frac{r_e}{1{,}678}

Přesně popisuje diskové podsystémy spirálních a nepravidelných galaxií.

2. Teorie hustotních vln Lin-Shua (Density Wave Theory) #

Dilema zavinutí spirálních ramen (winding problem) plyne z diferenciální rotace: $\Delta\phi(R, t) = \frac{d\Omega}{dR} \Delta R \cdot t$ . Za dobu $t \sim 10^9\text{ let}$ by se ramena zavinula do nerozlišitelných soustředných kružnic.

Chia-Chao Lin a Frank Shu (1964) postulovali, že spirální struktura je kvazistacionární hustotní vlnou rotující jako tuhé těleso s konstantní úhlovou rychlostí vzoru $\Omega_p$ (pattern speed):

\Omega_p = \text{konst.}

Hvězdy a plyn obíhají proměnnou rychlostí $\Omega(R)$ a vstupují do vlny s relativní rychlostí $\Omega(R) - \Omega_p$ .

V lineární aproximaci pro tenký disk je disperzní relace pro $m$ -ramennou spirální vlnu dána vztahem:

(\omega - m \Omega)^2 = \kappa^2 - 2\pi G \Sigma_0 |k| + c_s^2 k^2

Kde:

$\omega = m \Omega_p$ je frekvence vlny
$\kappa = \sqrt{4\Omega^2 + 2 R \Omega \frac{d\Omega}{dR}}$ je epicyklická frekvence
$\Sigma_0$ je rovnovážná plošná hustota disku
$k$ je radiální vlnové číslo ( $|k| = 2\pi / \lambda_R$ )

Rezonanční limity stability #

Existence stabilních vln je ohraničena Lindbladovými rezonancemi:

Vnitřní Lindbladova rezonance (ILR): $\Omega_p = \Omega(R) - \kappa(R) / m$
Korotační rezonance (CR): $\Omega_p = \Omega(R)$ (zde se plyn pohybuje stejnou rychlostí jako vlna)
Vnější Lindbladova rezonance (OLR): $\Omega_p = \Omega(R) + \kappa(R) / m$

Vlnová energie se může šířit pouze v pásmu mezi ILR a OLR, což přirozeně vymezuje radiální rozsah spirálních ramen galaxií.

3. Vědecké reference a primární literatura #

[1] Hubble, E. P. (1926). Extragalactic nebulae. The Astrophysical Journal, 64, 321–369.
[2] de Vaucouleurs, G. (1948). Recherches sur les Nébuleuses Extragalactiques. Annales d'Astrophysique, 11, 247.
[3] Sérsic, J. L. (1963). Influence of the atmospheric and instrumental dispersion on the brightness distribution in a galaxy. Boletin de la Asociacion Argentina de Astronomia, 6, 41.
[4] Lin, C. C., & Shu, F. H. (1964). On the Spiral Structure of Disk Galaxies. The Astrophysical Journal, 140, 646.
[5] Kormendy, J., & Kennicutt, R. C. (2004). Secular Evolution and the Formation of Pseudobulges in Disk Galaxies. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 42, 603–683.

Literatura a vědecké reference

Hubble, E. P.: Extragalactic nebulae. The Astrophysical Journal, Vol 64, pp. 321–369 (1926)[online]
Lin & Shu: On the Spiral Structure of Disk Galaxies. The Astrophysical Journal, Vol 140, p. 646 (1964)[online]

Tema	Morfologická klasifikace a fotometrie galaxií
Zakladni system	Hubbleova ladička (Edwin Hubble, 1926)
Hlavni tridy	Eliptické (E0–E7), Čočkové (S0), Běžné spirály (Sa–Sd), Spirály s příčkou (SBa–SBd), Nepravidelné (Irr)
Elipticke galaxie	Staré hvězdy (Populace II), málo plynu, žádný vznik hvězd (červené a mrtvé)
Spiralni galaxie	Rotující disky, bohaté na plyn, aktivní tvorba mladých hvězd (Populace I)
Fyzika ramen	Teorie hustotních vln Lin-Shua (kvazistacionární vlny jako dopravní zácpa)

Sersicuv zakon	I(r) = I_e exp{ -b_n [(r/r_e)^(1/n) - 1] }
Index sersic elipticke	n = 4 (de Vaucouleursův profil I ∝ exp(-r^1/4))
Index sersic disky	n = 1 (exponenciální disk I = I_0 exp(-r/h_R))
Lin shu disperze	(ω - m Ω)² = κ² - 2π G Σ_0 \|k\| + c_s² k²
Lindbladovy rezonance	ILR: Ω_p = Ω - κ/m, CR: Ω_p = Ω, OLR: Ω_p = Ω + κ/m
Dilema zavinuti	Vyřešeno hustotními vlnami nezávislými na rotaci materiálu

Morfologie galaxií

Morfologie galaxií

Obsah hesla

Morfologie galaxií: Od Hubbleovy ladičky k barevnému vesmíru

1. Hubbleova ladička: Tři hlavní galaktické rodiny #

1. Eliptické galaxie (E0 až E7) #

2. Běžné spirální galaxie (Sa, Sb, Sc, Sd) #

3. Spirální galaxie s příčkou (SBa, SBb, SBc) #

4. Čočkové galaxie (S0 / SB0) #

2. Nepravidelné galaxie (Irr) #

3. Proč spirální ramena nezmizí? Teorie hustotních vln #

Kvantitativní fotometrie a dynamika galaktických struktur: Sersicův profil, Lin-Shuova teorie hustotních vln a fundamentální rovina

1. Analytické profily povrchového jasu (Sérsicův zákon) #

Mezní případy: #

2. Teorie hustotních vln Lin-Shua (Density Wave Theory) #

Rezonanční limity stability #

3. Vědecké reference a primární literatura #

Literatura a vědecké reference

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík

Morfologie galaxií

Obsah hesla

Morfologie galaxií: Od Hubbleovy ladičky k barevnému vesmíru

1. Hubbleova ladička: Tři hlavní galaktické rodiny #

1. Eliptické galaxie (E0 až E7) #

2. Běžné spirální galaxie (Sa, Sb, Sc, Sd) #

3. Spirální galaxie s příčkou (SBa, SBb, SBc) #

4. Čočkové galaxie (S0 / SB0) #

2. Nepravidelné galaxie (Irr) #

3. Proč spirální ramena nezmizí? Teorie hustotních vln #

Kvantitativní fotometrie a dynamika galaktických struktur: Sersicův profil, Lin-Shuova teorie hustotních vln a fundamentální rovina

1. Analytické profily povrchového jasu (Sérsicův zákon) #

Mezní případy: #

2. Teorie hustotních vln Lin-Shua (Density Wave Theory) #

Rezonanční limity stability #

3. Vědecké reference a primární literatura #

Literatura a vědecké reference

Související hesla v AstroWiki

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík