La teoría de las ondas de densidad o teoría de las ondas de densidad de Lin-Shu es una teoría propuesta por CC Lin y Frank Shu a mediados de la década de 1960 para explicar la estructura del brazo espiral de las galaxias espirales . [1] [2] La teoría de Lin-Shu introduce la idea de una estructura espiral cuasiestática de larga duración (hipótesis QSSS). [1] En esta hipótesis, el patrón espiral gira con una frecuencia angular particular (velocidad de patrón), mientras que las estrellas en el disco galáctico orbitan a velocidades variables , que dependen de su distancia al centro de la galaxia . La presencia de ondas de densidad espirales en las galaxias tiene implicaciones en la formación estelar , ya que el gas que orbita alrededor de la galaxia puede comprimirse y provocar ondas de choque periódicamente. [3] Teóricamente, la formación de un patrón espiral global se trata como una inestabilidad del disco estelar causada por la autogravedad , a diferencia de las interacciones de marea . [4] La formulación matemática de la teoría también se ha extendido a otros sistemas de discos astrofísicos, [5] como los anillos de Saturno .
Originalmente, los astrónomos tenían la idea de que los brazos de una galaxia espiral eran materiales. Sin embargo, si este fuera el caso, entonces los brazos se enrollarían cada vez más, ya que la materia más cercana al centro de la galaxia gira más rápido que la materia en el borde de la galaxia. [6] Los brazos se volverían indistinguibles del resto de la galaxia después de sólo unas pocas órbitas. A esto se le llama problema de bobinado. [7]
Lin & Shu propusieron en 1964 que las armas no eran de naturaleza material, sino que estaban formadas por áreas de mayor densidad, similar a un atasco en una autopista. Los coches se mueven a través del atasco: la densidad de coches aumenta en medio del mismo. El atasco en sí, sin embargo, avanza más lentamente. [1] En la galaxia, las estrellas, el gas, el polvo y otros componentes se mueven a través de las ondas de densidad, se comprimen y luego salen de ellas.
Más específicamente, la teoría de las ondas de densidad sostiene que la "atracción gravitacional entre estrellas de diferentes radios" previene el llamado problema del sinuoso y, de hecho, mantiene el patrón espiral. [8]
La velocidad de rotación de los brazos se define como , la velocidad del patrón global. (Por lo tanto, dentro de un cierto marco de referencia no inercial , que gira en , los brazos espirales parecen estar en reposo). Las estrellas dentro de los brazos no son necesariamente estacionarias, aunque a cierta distancia del centro, el radio de corotación, las estrellas y las ondas de densidad se mueven juntas. Dentro de ese radio, las estrellas se mueven más rápidamente ( ) que los brazos espirales, y afuera, las estrellas se mueven más lentamente ( ). [7] Para una espiral con brazos m , una estrella con un radio R desde el centro se moverá a través de la estructura con una frecuencia . Entonces, la atracción gravitacional entre estrellas sólo puede mantener la estructura espiral si la frecuencia con la que una estrella pasa a través de los brazos es menor que la frecuencia epicíclica , , de la estrella. Esto significa que solo existirá una estructura espiral de larga duración entre la resonancia de Lindblad interna y externa (ILR, OLR, respectivamente), que se definen como los radios tales que: y , respectivamente. Más allá del OLR y dentro del ILR, la densidad adicional en los brazos espirales atrae con más frecuencia que la velocidad epicíclica de las estrellas y, por lo tanto, las estrellas son incapaces de reaccionar y moverse de tal manera que "reforcen el aumento de la densidad en espiral". [8]
La teoría de las ondas de densidad también explica otras observaciones que se han hecho sobre las galaxias espirales. Por ejemplo, "el orden de las nubes HI y las bandas de polvo en los bordes internos de los brazos espirales, la existencia de estrellas jóvenes y masivas y regiones H II en todos los brazos, y una abundancia de estrellas rojas viejas en el resto del disco". . [7]
Cuando las nubes de gas y polvo entran en una onda de densidad y se comprimen, la tasa de formación de estrellas aumenta a medida que algunas nubes cumplen el criterio de Jeans y colapsan para formar nuevas estrellas. Dado que la formación de estrellas no ocurre inmediatamente, las estrellas están ligeramente detrás de las ondas de densidad. Las estrellas OB calientes que se crean ionizan el gas del medio interestelar y forman regiones H II. Sin embargo, estas estrellas tienen vidas relativamente cortas y expiran antes de abandonar completamente la onda de densidad. Las estrellas más pequeñas y rojas abandonan la onda y se distribuyen por todo el disco galáctico.
También se ha descrito que las ondas de densidad presurizan las nubes de gas y, por lo tanto, catalizan la formación de estrellas. [6]
A partir de finales de la década de 1970, Peter Goldreich , Frank Shu y otros aplicaron la teoría de las ondas de densidad a los anillos de Saturno. [9] [10] [11] Los anillos de Saturno (particularmente el Anillo A ) contienen una gran cantidad de ondas de densidad espiral y ondas de flexión espiral excitadas por resonancias de Lindblad y resonancias verticales (respectivamente) con las lunas de Saturno . La física es en gran medida la misma que en las galaxias, aunque las ondas espirales en los anillos de Saturno están mucho más enrolladas (se extienden unos pocos cientos de kilómetros como máximo) debido a la gran masa central (el propio Saturno) en comparación con la masa del disco. [11] La misión Cassini reveló ondas de densidad muy pequeña excitadas por las lunas anillo Pan y Atlas y por resonancias de alto orden con las lunas más grandes, [12] así como ondas cuya forma cambia con el tiempo debido a las diferentes órbitas de Jano . y Epimeteo . [13]
