盘星系中非稳态旋臂的动力学

为了理解盘星系中非稳态恒星旋臂背后的物理机制，我们利用三维 $N$-body 模拟分析了其旋臂的增长和阻尼阶段。我们确认旋臂是由于摆动放大机制形成的，该机制增强了作为种子尾迹的密度增强。在阻尼阶段，作用于旋臂一部分的科里奥利力超过了使其收缩的引力。因此，该部分中的恒星逃离旋臂，随后在不同位置形成新的旋臂。旋臂的随时间变化特性源于这种非线性现象的持续重复。由于旋臂并非刚体旋转，而是遵循星系的较差自转，旋臂中的恒星以几乎与旋臂相同的速率旋转。换言之，旋臂中的每个单一位置均可视为共转点。由于与其宿主旋臂的相互作用，恒星的能量和角动量发生变化，从而导致恒星的径向迁移。在此过程中，恒星随机运动的动能（随机能量）并未显著增加，盘保持动力学冷态。由于这种低程度的盘加热，短寿命的旋臂可以在多个旋转周期内反复发展。$N$-body 模拟中产生的旋臂结构与螺旋星系的一些观测性质一致。我们得出结论，孤立盘星系中旋臂的形成和结构可以通过旋臂与其组成恒星之间的非线性相互作用得到合理解释。