旋涡星系中的气体螺旋结构与质量漂移

我们利用流体动力学模拟研究了盘星系中气体对施加的恒星螺旋势的非线性响应。假设气体介质无限薄、等温且无磁场。我们考虑了具有不同强度和模式速度的各种旋臂模型。我们发现，气体旋臂的范围和形状以及相关的质量漂移率相当敏感地依赖于旋臂的模式速度。在旋臂模式旋转缓慢的模型中，气体旋臂延伸至共转共振 (CR) 之外直至外边界，其螺距角略小于恒星对应部分。另一方面，在模式快速旋转的模型中，螺旋激波比恒星旋臂缠绕得更紧，并且在靠近和超出 CR 的区域（其中 $\mathcal{M}_\perp/{\rm sin} p_* \ge 25-40$，$\mathcal{M}_\perp$ 表示相对于具有螺距角 $p_*$ 的旋臂的旋转气体的垂直马赫数）不再存在。在 CR 内部，旋臂以 $\sim 0.05-3.0 {\rm M}_\odot {\rm yr}^{-1}$ 的速率驱动质量向内流入中心区域，较大的值对应于更强且更慢的旋臂。激波耗散、外部力矩和自引力力矩对质量流入的贡献分别约为 50%、40% 和 10%。我们证明，视线速度和旋臂密度的分布可以作为一种有用的诊断工具，以区分螺旋模式是快速旋转还是缓慢旋转。