纯恒星盘中旋臂的动力学

人们曾认为，纯恒星盘中的旋臂，尤其是自发形成的旋臂，会由于恒星速度弥散的增加而在几个星系转动周期内衰减。因此，人们假设需要某种冷却机制，例如星际介质的耗散效应，来维持旋臂。在这里，我们通过一系列纯恒星盘的高分辨率三维 $N$ 体模拟表明，恒星盘可以在没有冷却帮助的情况下维持旋臂特征数十个转动周期。我们发现，如果粒子数足够大，例如 $3\times 10^6$，孤立盘中发展出的多臂旋臂可以存活超过 10 Gyr。我们证实存在一种维持旋臂振幅的自调节机制。旋臂会增加盘的 Toomre $Q$ 值，并且加热速率与旋臂振幅的平方相关。由于振幅本身受 $Q$ 值的限制，这使得在演化的后期阶段动力学加热效果减弱。一个简单的解析论证表明，加热是由恒星被旋臂引力散射引起的，并且纯恒星盘中的自调节机制可以在宇宙学时间尺度上有效地维持旋臂。在粒子数较少的情况下，例如 $3\times 10^5$，旋臂在模拟初期（当 $Q$ 较小时）增长更快，并导致 $Q$ 值迅速增加。结果，旋臂在几个 Gyr 内变得暗淡。