Kann man eine Spiralgalaxie mit einer ähnlichen Mannigfaltigkeit wie einen Whirlpool modellieren?

Auf der Skala der galaktischen Spiralarme ist das zentrale Schwarze Loch gravitativ völlig unbedeutend . Ich werde es mit einem Beispiel veranschaulichen, NGC 524. Von Spiralgalaxien (technisch gesehen ist dies eine S0, aber es gibt immer noch eine Spiralstruktur) mit gemessenen Massen von Schwarzen Löchern hat NGC 524 eine der massereichsten. Hier ist ein Bild der Galaxie:

Die sichtbare Scheibe hat einen physikalischen Radius von ungefähr$15\,{\rm kpc}$. Es hat eine Schwarzes-Loch-Masse von ca$10^9\,{\rm M}_\odot$, entsprechend einem Schwarzschild-Radius von$10^{-7}\,{\rm kpc}$. Das Schwarze Loch wäre in diesem Bild etwas größer als ein Millionstel Pixel. Aber natürlich ist nicht die Größe der Schlüsselparameter, sondern die Masse. Basierend auf der absoluten Größe des B-Bandes von$-20.7$und unter der Annahme eines Masse-zu-Licht-Verhältnisses von$\sim 5$( typisch für einen S0 ) erhalte ich eine grobe Schätzung der Sternmasse$5\times10^{10}\,{\rm M}_\odot$für NGC 524. Bei einer konservativen exponentiellen Skalenlänge von$1\,{\rm kpc}$, sollte die Hälfte der Sternmasse in weniger als eingeschlossen sein$2\,{\rm kpc}$(ungefähr die Größe der innersten sichtbaren Spiralstruktur auf dem Bild). Die Hälfte der Sternmasse übertrifft das Schwarze Loch um einen Faktor von$25$, also beginnt das Schwarze Loch erst weit innerhalb dieses Radius, die Dynamik zu dominieren. Frame Dragging und Gravitationsstrahlungseffekte würden meiner Meinung nach nur bei noch kleineren Radien dominieren.

So bilden sich Spiralarme, anstatt irgendetwas mit dem Schwarzen Loch zu tun.

Was wir sehen, wenn wir eine Spiralgalaxie betrachten, ist ein sehr verzerrtes Bild, da die Gravitationsfelder innerhalb der Galaxie Raum und Zeit schrumpfen lassen. Was sich aufgrund der Newtonschen Physik langsamer zu bewegen scheint, als es sollte, bewegt sich tatsächlich mit der korrekten Newtonschen Geschwindigkeit, aber es scheint sich aufgrund der komprimierten Raumzeit, die durch die variablen Gravitationsfelder in der gesamten Galaxie erzeugt wird, zu langsam zu bewegen.

Die Gravitationsfelder variieren in der Stärke in der gesamten Galaxie, abhängig von der Entfernung von den intensivsten Gravitationsfeldern. Das Schwarze Loch in der Mitte hat offensichtlich eine große Wirkung in der Nähe, aber weiter draußen in den Sternhaufen hat die lokale Gravitation eine größere Wirkung. In Kombination mit dem allgemeinen Gravitationseinfluss der gesamten Galaxie (einschließlich des Schwarzen Lochs) wirkt sich dies auf das Verziehen und Schrumpfen der Raumzeit aus und lässt einzelne Sterne von unserem entfernten Standpunkt aus mit der falschen Geschwindigkeit erscheinen.

Es scheint, dass sich die Sterne auf den äußeren Spiralarmen zu schnell für uns bewegen. Um dies zu erklären, müssen wir zunächst akzeptieren, dass die gesamte Galaxie aufgrund der allmählichen Schrumpfung der Raumzeit viel größer ist als die Masse in ihr. Jeder Stern bewegt sich gemäß seiner eigenen Raumzeit mit der richtigen Newtonschen Geschwindigkeit. Und natürlich wird diese Raumzeit je nach unterschiedlicher Gravitationsschrumpfung an verschiedenen Orten variieren. Es muss keine zusätzliche Masse in Form von dunkler Materie hinzugefügt werden.

Betrachten Sie diese grobe Analogie. Auf dem Gipfel des Mount Everest wiegen Sie weniger als auf Meereshöhe, weil Sie weiter von der Gesamtmasse der Erde entfernt sind. Stellen Sie sich nun vor, Sie graben ein Loch zum Mittelpunkt der Erde. Wenn Sie nach unten gehen, nimmt die Masse über Ihnen zu und die Masse unter Ihnen ab. Mit jedem gefahrenen Kilometer wiegen Sie weniger auf der Waage. Bis Sie die Mitte erreichen, wiegen Sie genau null. Aber natürlich hat die Erde kein schwarzes Loch in ihrem Zentrum, um es vollständig mit einer Spiralgalaxie zu vergleichen.

Stoff zum Nachdenken.