Was bewirkt, dass unsere Sonne um ihre mittlere galaktische Umlaufbahn oszilliert?

Es ist die gute alte Newtonsche Schwerkraft! Die Ebene der Galaxie kann als Scheibe aus Sternen und Gas mit einer Dichte angenähert werden$\rho(|z|)$, die mit der absoluten Entfernung abnimmt$|z|$aus dem Flugzeug.

Wenn Sie davon ausgehen würden, dass die Sonne nahe genug war$z=0$und dass die radiale Variation in$\rho$vernachlässigbar genug war, um die Scheibe als unendliche Ebene zu behandeln (das ist nicht schlecht, die Amplitude der Sonnenbewegung beträgt nur etwa 10% der radialen Skalenlänge der Scheibendichte), dann könnte man einen kleinen Zylinder durch die Ebene konstruieren, mit einem Gesicht an$z=0$, wo$g=0$, und verwenden Sie das Gaußsche Gravitationsgesetz , um die Gravitationsbeschleunigung in der Höhe abzuschätzen$z$.

Jetzt$\rho(z)$nähert sich einer exponentiell abfallenden Funktion mit einer Skalenhöhe von vielleicht 200-300 pc. Wenn wir näher dran sind$z=0$als das, dann kann die Dichte grob als konstant bezeichnet werden$\rho_0$. Wenn wir dies in die obige Gleichung einsetzen, sehen wir das

Die Dichte der Scheibe in Sonnennähe wird auf 0,076 Sonnenmassen pro Kubikparsec geschätzt ( Creze et al. 1998 ). Unter Verwendung dieses Werts erhalten wir eine ungefähre vorhergesagte Oszillationsperiode auf und ab durch die Scheibenebene von 95 Millionen Jahren.

Anmerkung hinzugefügt: Der vorherige Absatz ist das Gegenteil dessen, was tatsächlich getan wird – die Dynamik von Sternen in der Nähe der Sonne wird verwendet, um die Dichte in der Ebene abzuschätzen. Allein das Zählen der Sterne und das Abschätzen des Gasbeitrags führt jedoch zu einem ähnlichen Ergebnis – und zeigt dabei, dass der Beitrag der Dunklen Materie zur Dichte der Scheibe sehr gering ist.

Die Ebene, auf die die Sonne und der größte Teil der Milchstraße beschränkt sind, ist weder eine Ebene noch eine Scheibe: Es ist ein dichter, mit Materie gefüllter Abschnitt mit einer Breite ungleich Null. Das bedeutet, dass diese "Scheibe" auch ein Gravitationspotential erzeugt, das die Sonne einfängt. In gewisser Weise können wir sagen, dass die Sonne ihre galaktische Umlaufbahn sowohl im galaktischen Zentrum als auch ihre planaren Schwingungen auf der galaktischen "Scheibe" zentriert hat. Wenn diese angenäherte Scheibe eine konstante Dichte hätte und die Sonne niemals in nicht-planaren Richtungen gestört würde, dann wäre die Umlaufbahn tatsächlich auf eine Ebene beschränkt; aber die Materie ist innerhalb der Galaxie ungleichmäßig angeordnet, und diese Anisotropie liefert die nicht-planare Störung, die erforderlich ist, um nicht nur für unsere Sonne, sondern (zumindest theoretisch) für alle Himmelskörper eine harmonische Bewegung um die galaktische Ebene zu erzeugen.

Ich habe das Gefühl, dass die vorhandenen Antworten die Erklärung zu kompliziert erscheinen lassen, daher füge ich eine einfache Erklärung hinzu.

Stellen Sie sich vor, Sie "werfen" einen neuen Stern in die Galaxie und zielen darauf ab, dass die Umlaufbahn ungefähr (aber NICHT genau) entlang der galaktischen Ebene verläuft. Würden Sie erwarten, dass die Umlaufbahn auf magische Weise in die galaktische Ebene eingeschlossen wird? Natürlich nicht – das würde die Impulserhaltung verletzen. Würden Sie erwarten, dass es für immer in seiner eigenen Ebene fortbesteht? Natürlich nicht – das wird nur für eine kugelförmige Masse erwartet, und die Galaxie ist keine kugelförmige Masse. Die näher am Stern gelegenen Teile der Galaxie ziehen den Stern ebenfalls zu sich heran, und daher kommt es zu einem Wackeln.