¿Qué mecanismo causa oscilaciones de la órbita del sistema solar sobre el plano galáctico?

En un artículo reciente ( comunicado de prensa aquí ), Lisa Randall y Matthew Reece proponen que un disco de materia oscura que coincida con el plano galáctico junto con las oscilaciones del sistema solar a través del plano galáctico podría explicar la periodicidad de 35 millones de años en las extinciones en masa. Proponen que el sistema solar pase a través de este disco de materia oscura en el plano galáctico cada 35 millones de años, interrumpiendo los cuerpos en la nube de Oort y haciendo que algunos de ellos choquen con la Tierra. A continuación se muestra una imagen de los ciclos propuestos del comunicado de prensa.

Mi pregunta es: ¿Qué mecanismo es responsable de esta oscilación de 35 millones de años sobre el plano galáctico? ¿Hay un cuerpo acompañante para el sol? ¿Estamos orbitando alrededor de uno de los brazos de nuestra galaxia? ¿Es este un fenómeno bien conocido o están proponiendo la oscilación de 35 millones de años y el disco de materia oscura?

La causa de las oscilaciones perpendiculares al plano galáctico es la gravedad de la distribución de masa no esférica (necesaria para una elipse Kepler plana ) en la Vía Láctea. Simplificado, hay un plano galáctico denso. La densidad no se conoce exactamente; por lo tanto, existe cierta incertidumbre (unos pocos millones de años) sobre el período de oscilación preciso. Detalles ver este artículo , subsección 3.3.

La idea de una correlación de extinciones en masa con esta oscilación no es nueva, se origina probablemente en 1970 o antes.

"El sistema solar exterior probablemente no contiene un gran planeta gigante gaseoso, o una pequeña estrella compañera", vea este comunicado de prensa .

Probablemente no estemos orbitando alrededor de un brazo en espiral.

El disco de materia oscura es una hipótesis, una idea para investigar. Por lo general, solo una pequeña fracción de este tipo de hipótesis se puede confirmar definitivamente más tarde, la mayoría de ellas se pueden descartar después de un tiempo, algunas permanecen sin resolver, algunas se pueden refinar para que coincidan con las observaciones.

Recientemente publiqué una respuesta para esto en Physics SE, pero también he recibido una consulta sobre esto desde otra respuesta de Astronomy SE , por lo que estoy agregando esto aquí para completar.

Puede aproximar el plano de la galaxia como un disco formado por estrellas y gas, con una densidad , que disminuye con la distancia absolutadesde el avión| z $\rho(|z|)$$|z|$

Si se supone que el Sol está lo suficientemente cerca de y que la variación radial en fue lo suficientemente insignificante como para tratar el disco como un plano infinito (esto no es malo, la amplitud del movimiento del Sol es solo alrededor del 10% de la longitud de la escala radial de la densidad del disco), entonces podría construir un pequeño cilindro a través del plano, con una cara en , donde , y usar la ley de Gauss para la gravedad para estimar la aceleración gravitacional a la altura . ρ z = 0 g = 0 z g ( z ) ≃ - 4 π G ∫ z 0 ρ ( z ) d $z=0$$\rho$$z=0$$g=0$$z$

Esto está descomponiendo efectivamente la órbita del Sol en una órbita radial / tangencial más un movimiento vertical, que trato aquí.

Ahora aproxima a una función de descomposición exponencial con una altura de escala de quizás 200-300 pc. Si estamos más cerca de que eso, entonces la densidad es aproximadamente una constante . Al poner esto en la ecuación anterior, vemos que Pero esto es simplemente un movimiento armónico simple con una frecuencia angular .z = 0 ρ 0 g ( z ) = - 4 π G ρ 0 z . $\rho(z)$$z=0$$\rho_0$

Se ha estimado que la densidad del disco cerca del Sol es de 0.076 masa solar por parsec cúbico ( Creze et al. 1998 ). Usando este valor, obtenemos un período de oscilación aproximado aproximado hacia arriba y hacia abajo a través del plano del disco de 95 millones de años. Esto está bastante cerca del valor aceptado de 70 millones de años considerando las aproximaciones que se han hecho.

En el contexto de la pregunta que hace, debería agregar que la densidad de masa que cito anteriormente se deriva en realidad de las posiciones y movimientos de las estrellas en el vecindario solar. Como se menciona en el artículo que mencioné, el valor que obtienen es cercano al obtenido contando estrellas y agregando las contribuciones de gas y polvo. En realidad, hay poca evidencia de materia oscura en el disco a partir de estas mediciones.

Este resultado es completamente consistente con la idea de una distribución de materia oscura que es 10 veces la masa visible pero aproximadamente esféricamente simétrica, y que explica la curva de rotación de la Vía Láctea. No hay mucha de esta materia oscura en el disco.

Finalmente, la imagen no es del todo correcta. El Sol completa solo unas 3 oscilaciones verticales por cada órbita alrededor del centro galáctico.

Gravedad. Específicamente, la gravedad de la masa de estrellas en el disco.

A medida que avanzamos hacia arriba sobre el disco, disminuimos la velocidad. La amplitud del desplazamiento vertical es de aproximadamente 70Pc, o aproximadamente 110LY hacia arriba, 110LY hacia abajo y hacia atrás nuevamente durante aproximadamente 66 millones de años.

Además, pasamos del perigalacticon (8,130PC, 26,100LY) al apogalacticon (alrededor de 9,040Pc 29,500LY) y viceversa, durante un período de aproximadamente 170 millones de años.

Esto sucede debido a la cantidad cambiante de masa contenida dentro del radio orbital variable. La posición vertical actual es 17LY por encima del plano medio y el último cruce hace unos 3 millones de años.

Estamos a unos 26.540 km del centro y alcanzaremos el perigalacticón en unos 15 millones de años.

La velocidad actual para Sol es 255.2 ± 5.1 km / s. Con respecto al Estándar Local de Descanso (velocidad promedio de las estrellas en el vecindario) nuestra velocidad tiene 3 vectores. Hacia adentro 7.01 ± 0.20 km / s, hacia arriba 4.95 ± 0.09km / s, y hacia atrás (en sentido horario alrededor del centro) 10.13 ± 0.12km / s.

Nota: mis datos provienen de una variedad de fuentes y pueden no ser completamente precisos.

Además, la dirección general de la velocidad de Sol no es hacia Vega. Dada la posición de Sgr A * RA Ascensión recta 17h 45m 40.0409s y declinación −29 ° 0 ′ 28.118 ″, el movimiento es 90 ° alrededor del disco o 6 horas más allá de la ubicación de Sgr A *, aproximadamente 23h 45m RA, en el plano de la galaxia, aproximadamente 55 ° declinación. Aproximadamente 25m RA al este y 4 ° sur de Caph (β Cassiopeia).

Esta oscilación es muy insignificante. La amplitud de la oscilación en el lugar galáctico es de 105 años luz en Max. Mientras que el sol realiza casi 3 oscilaciones de este tipo en una rotación galáctica en un período de 240 millones de LY. Esto significa que al viajar 40 MLY en el plano galáctico, el sol alcanza la amplitud máxima. Entonces, si calcula el ángulo que forma la trayectoria sinusoidal con el plano galáctico, se obtiene el inverso de Tan (105LY / 40MLY) = 0.016 grados. Eso no es nada !!

Ok, tiene mucho sentido que la gravedad del disco de la Vía Láctea empuje las estrellas hacia arriba y hacia abajo a medida que avanzan por su órbita circungaláctica. Pero esto no explicaría por qué las recientes observaciones tridimensionales de las estrellas más cercanas utilizando el espectrógrafo FLAMES-GIRAFFE en el Very Large Telescope de ESO y el espectrógrafo IMACS en el Observatorio Las Campanas mostraron una estructura de onda definida en el movimiento de las estrellas que orbitan el Galáctico avión. En otras palabras, la mayoría de las estrellas en el disco se siguen entre sí en una cadena o tren, como si estuvieran subiendo y bajando en una CORRIENTE. Lo que significa que ciertamente oscilan en una corriente. ¡Y esto se predijo en 1978!

Nuestro Sol produce un campo magnético que se extiende a lo largo del plano ecuatorial en la heliosfera. Este campo se extiende por todo el Sistema Solar, donde se llama el "Campo Magnético Interplanetario". En 1965, John M., Wilcox y Norman F. Ness publicaron su hallazgo de la "Hoja de corriente heliosférica", que mostró que el campo magnético giratorio del Sol produce constantemente ondas en el plasma del medio interplanetario.

Estas ondas forman una "espiral de Parker" y se describen en términos de una corriente electromagnética, pero también son ondas mecánicas que hacen que los planetas mismos oscilen hacia arriba y hacia abajo mientras orbitan alrededor del Sol. En 1978, Hannes Alfven y Per Carlqvist sugirieron que hay una "Hoja de corriente galáctica" similar que transporta una corriente eléctrica de 10 ^ 17 a 10 ^ 19 amperios a través del plano de simetría de la galaxia.

¿De acuerdo? Eso prácticamente resuelve el misterio de la oscilación de las estrellas de la Vía Láctea. Pero el problema aquí es que (ejem, tos, tos) NUESTRO SISTEMA SOLAR NO ES PARTE DE LA VÍA LÁCTEA. En 1994 se descubrió que en realidad somos parte de la galaxia elíptica enana de Sagitario, o Sag-DEG para abreviar, que se encuentra en una ÓRBITA POLAR de 500 millones de años alrededor de la Vía Láctea.

¿Alguna vez te has preguntado por qué dicen que nuestro Solar Apex está cerca de Vega, pero Vega se está moviendo hacia nosotros casi el doble de rápido que nosotros? Bueno, a finales de los 80 se descubrió que casi todas las estrellas que orbitan alrededor de la Vía Láctea parecen estar "lloviendo" sobre nuestra posición. Lo que solo podría significar que nuestro Sistema Solar se está moviendo hacia arriba, fuera de la Vía Láctea. Lamento informarles, muchachos, pero a pesar de que las estrellas de la Vía Láctea oscilan arriba y abajo durante su órbita de 250 millones de años, no somos parte de ese baile. Nuestro propio camino nos llevará muy por encima de la Galaxia, con una vista espectacular del apogalacticón, y luego regresaremos nuevamente.