Spiraalstelsels zijn een van de meest fascinerende structuren in de astronomie, maar hun aard is nog steeds niet volledig begrepen. Astronomen hebben momenteel twee categorieën theorieën die deze structuur kunnen verklaren, afhankelijk van de omgeving van de melkweg, maar een nieuwe studie, geaccepteerd voor publicatie in het Astrophysical Journal, suggereert dat een van deze theorieën grotendeels fout kan zijn.
Voor sterrenstelsels met nabije metgezellen hebben astronomen gesuggereerd dat getijdekrachten een spiraalstructuur kunnen onttrekken. Voor geïsoleerde sterrenstelsels is echter een ander mechanisme vereist waarin sterrenstelsels deze structuren vormen zonder tussenkomst van een buur. Een mogelijke oplossing hiervoor werd in 1964 voor het eerst uitgewerkt door Lin & Shu waarin zij suggereerden dat de wikkelconstructie slechts een illusie is. In plaats daarvan waren deze armen geen bewegende structuren, maar gebieden met een grotere dichtheid die stationair bleven toen de sterren binnenkwamen en ze verlieten, vergelijkbaar met hoe een verkeersopstopping op zijn plaats blijft, hoewel de samenstellende auto's in- en uitrijden. Deze theorie wordt de Lin-Shu dichtheidsgolftheorie genoemd en is grotendeels succesvol geweest. Eerdere artikelen hebben een progressie gemeld van koude, HI-gebieden en stof op het binnenste deel van de spiraalarmen, die in dit gebied met hogere dichtheid crashen en stervorming veroorzaken, waardoor hete O & B-klasse sterren ontstaan die afsterven voordat ze de structuur verlaten, waardoor de sterren met een lagere massa om de rest van de schijf te vullen.
Een van de belangrijkste vragen over deze theorie was de lange levensduur van het overvolle gebied. Volgens Lin & Shu en vele andere astronomen zijn deze structuren over het algemeen stabiel gedurende lange perioden. Anderen suggereren dat de dichtheidsgolf komt en gaat in relatief kortstondige, terugkerende patronen. Dit zou vergelijkbaar zijn met de richtingaanwijzer op uw auto en die voor u soms lijkt te synchroniseren voordat u weer uit fase komt, om vervolgens binnen een paar minuten weer op te staan. In sterrenstelsels zou het patroon zijn samengesteld uit de individuele banen van de sterren, die periodiek zouden worden uitgelijnd om de spiraalarmen te creëren. Uitzoeken welke hiervan het geval was, was een uitdaging.
Om dit te doen, onderzocht het nieuwe onderzoek, geleid door Kelly Foyle van de McMaster University in Ontario, de voortgang van stervorming toen gas en stof het schokgebied binnendrongen dat werd geproduceerd door de Lin-Shu-dichtheidsgolf. Als de theorie correct was, zouden ze een progressie kunnen verwachten waarin ze eerst koud HI-gas en koolmonoxide zouden vinden, en vervolgens compensatie van warme moleculaire waterstof en 24 μm-emissie door sterren die zich in wolken vormen, en ten slotte een andere offset van de UV-straling van volledig gevormde en niet-verduisterde sterren.
Het team onderzocht 12 nabijgelegen spiraalstelsels, waaronder M 51, M 63, M 66, M 74, M 81 en M 95. Deze sterrenstelsels vertegenwoordigden verschillende variaties van spiraalstelsels, zoals grote ontwerpspiralen, balkspiralen, vlokvormige spiralen en een interactie spiraal.
Bij het gebruik van een computeralgoritme om elk te onderzoeken op offsets die de Lin-Shu-theorie zouden ondersteunen, meldde het team dat ze geen verschil in locatie konden vinden tussen de drie verschillende fasen van stervorming. Dit is in tegenspraak met de eerdere studies (die "met het oog" zijn uitgevoerd en dus onderhevig zijn aan mogelijke vertekening) en roept twijfel op over de langlevende spiraalstructuur zoals voorspeld door de Lin-Shu-theorie. In plaats daarvan stemt deze bevinding overeen met de mogelijkheid van voorbijgaande spiraalarmen die periodiek uiteenvallen en hervormen.
Een andere optie, die de theorie van dichtheidsgolven redt, is dat er meerdere 'patroonsnelheden' zijn die complexere dichtheidsgolven produceren en daardoor de verwachte verschuivingen vervagen. Deze mogelijkheid wordt ondersteund door een studie uit 2009 die deze snelheden in kaart bracht en ontdekte dat verschillende spiraalstelsels waarschijnlijk dergelijk gedrag vertonen. Ten slotte merkt het team op dat de techniek zelf mogelijk gebrekkig is en de emissie van elke zone van stervorming onderschat. Om de vraag te beantwoorden, zullen astronomen verfijndere modellen moeten maken en de regio's gedetailleerder en in meer sterrenstelsels moeten verkennen.