Planetaaristen renkaiden ja galaksien dynamiikka (Dynamics of planetary rings and galaxies)

(vastuuhenkilö: Dos. Heikki Salo, Tähtitieteen osasto, Fysikaalisten tieteiden laitos,
email: heikki.salo@oulu.fi, tel. 08 553 1931, fax 08 553 1934)
Perusteellisempi kuvaus tutkimuksista (ryhma, yhteistyotahot, julkaisut)

Tähtitieteen osaston dynamiikka-ryhmän tutkimuskohteina ovat gravitaatiovoimien hallitsemat systeemit, sovellutuksien ulottuessa Aurinkokunnan jättiläisplaneettojen renkaista ja satelliittisysteemeistä galaksien rakenteeseen ja keskinäisiin vuorovaikutuksiin. Tärkein tutkimusmenetelmä on numeeriset N-kappaleen simulaatiot, joiden kehittämisestä osastolla on jo 20 vuoden kokemus. Simulaatioiden tuloksia verrataan analyyttisiin malleihin ja havaintoihin: Aurinkokunnan kohteiden osalta Voyager-luotaimen mittauksiin, ja galaksien osalta Pohjoismaisella NOT-teleskoopilla ja muilla kansainvälisillä teleskoopeilla tekemiimme havaintoihin. Tärkeimmat ulkomaiset yhteistyötahot ovat Alabaman yliopisto ja Meksikon kansallinen yliopisto (galaksitutkimus) sekä Arizonan ja Potsdamin yliopistot (planetaariset renkaat). Planetaaristen renkaiden mallejamme käytetään Saturnuksen renkaista tehtyjen uusimpien Hubble Space Telescope-havaintojen (Wellesley C.) ja Arecibo-tutkahavaintojen (Cornell U.) tulkintaan.

  • Tutkimusryhmä sai hyvin myönteisen arvion Suomen Akatemian keväällä 2000 teettämässä Suomen Tähtitieteen evaluoinnissa.
  • Ryhmä on 20.6.2001 nimetty Oulun yliopiston sisäiseksi tutkimuksen laatuyksiköksi (vuosiksi 2001-2003).

    Julkaisut v. 2000-

    Referoidut artikkelit lehdissä:

  • Laurikainen, E. & Salo, H. (2000): BVRI Imaging of M51-type Interacting Galaxy Pairs II. Bulge and disk parameters. Astronomy Astrophys. Suppl. 141, 103-111 (+19 pages in electronic form)
  • Spahn, F., Schmidt, J., Petzschmann, O. & Salo, H. (2000): Stability analysis of a Keplerian disk of granular grains: influence of thermal diffusion. Icarus 145, 657-660.
  • Salo, H. & Laurikainen, E. (1999): Inner structure of M51. Astrophysics and Space Science 269-270: 589-592 (published in 2000).
  • Salo, H. & Laurikainen, E. (1999): A multiple encounter model of M51. Astrophysics and Space Science 269-270: 663-664 (published in 2000).
  • Rautiainen, P. & Salo, H. (2000) N-body simulations of resonance rings in galactic disks. Astron. Astrophys. 362, 465-485.
  • Salo, H. & Laurikainen, E. (2000): N-body model for M51: I. Multiple encounter vs. single passage?. MNRAS 319, 377-392 .
  • Salo, H. & Laurikainen, E. (2000): N-body model for M51: II. Inner structure. MNRAS 319, 393-413.
  • Laurikainen, E. & Salo, H. (2001) : BVRI Imaging of M51-type Interacting Galaxy Pairs III. Analysis of the photometric parameters. MNRAS 324, 685-698.
  • Salo, H., Schmidt. J. & Spahn, F. (2001) : Viscous overstability in Saturn's B-ring: I. Direct simulations and measurement of transport coefficients. Icarus 153, 295-315.
  • Schmidt. J., Salo, H., Spahn, F. & Petzschmann, O. (2001) : Viscous overstability in Saturn's B-ring: II. Hydrodynamic theory and comparison to simulations. Icarus 153, 316-331.
  • Salo, H. & Laurikainen, E. (2001): N-body models of M51: From extended tail to central spiral structure. Astron. Astrophys Trans. 20, 93-101.
  • Laurikainen, E, Salo, H. & Rautiainen, P.(2002): Comparison of bar strengths in active and non-axtive galaxies. MNRAS , 331, 880-893
  • Rautiainen, P., Salo, H & Laurikainen, (2002): Simulations of central structure in barred galaxies. MNRAS 337, 1233-1244.
  • Laurikainen, E, Salo, H. (2002): Bar strengths in spiral galaxies estimated from 2MASS images. MNRAS 337, 1118-1138.
  • Schmidt, J, Salo, H. (2003) : A weakly nonlinear model for oscillatory instability in Saturn's dense rings. Phys. Rev. Lett 90, 061102-1 - 061102-4
  • Bergvall N., Laurikainen E., Aalto S. (2003) : Galaxy interactions - poor starburst triggers: A study of a complete sample of interacting galaxies. III. Astron. Astrophys. 505, 31-52.
  • Salo, H, Karjalainen, R (2003): Photometric modeling of Saturn's rings: I. Monte Carlo method and the effect of non-zero volume filling factor. Icarus 164, 428-460.
  • Buta, R, Laurikainen, E., Salo, H (2004): The distribution of maximum relative gravitational torque in disk galaxies. Astron. J 127, 279-294.
  • Fuentes-Carrera, I, Rosado, M, Amram, P., Dultzin-Hacyan, D. Cruz-Conzales, I, Salo, H, Laurikainen, E, Bernal, A, Ambrocio-Cruz, P, Le Coarer, E (2004): The isolated interacting galaxy pair NGC 5426/27 (Arp 271). Astron. Astrophys. 415, 451-469.
  • Rautiainen, P, Salo, H, Buta, R (2004): Dynamical modelling of a remarkable four-armed barred spiral galaxy ESO 566-24. MNRAS 349, 933-944.
  • Morishima, R, Salo, H (2004): Spin rates of small moonlets embedded in planetary rings: I. Three body calculations. Icarus 167,330-346
  • Morishima, R, Watanabe, S. (2004): Co-accretion of the Earth-Moon system after the giant impact: reduction of the total angular momentum by lunar impact ejecta. Icarus 168, 60-79
  • Laurikainen, E., Salo, H, Buta, R. (2004): Comparison of bar strengths and fraction of bars in active and non-active galaxies. Astrophys. J 607, 103-124.
  • Salo, H, Karjalainen, R., French, R.G (2004): Photometric modeling of Saturn's rings: II. Azimuthal asymmetry in reflected and transmitted ligth. Icarus 170, 70-90.
  • Karjalainen, R., Salo, H (2004): Gravitational accretion of patricles in Saturn's rings. Icarus in press.
  • Laurikainen, E., Salo, H., Buta, R. (2004): Bar-induced perturbations strengths of the galaxies in the Ohio State University Bright Galaxy Survey (OSUBGS). MNRAS in press.

    Kirjoissa julkaistut referoidut artikkelit:

  • Salo, H. (2001) Numerical Simulations of Collisional Dynamics of Planetary Rings. In Book ``Granular Gases'', Eds. T. P\"oschel and S. Luding, Lecture Notes in Physics, Springer, pp. 330-349 (invited review).
  • H\"anninen, J. (2001) Formation of Narrow Einglets in Saturn's Rings. In Book ``Granular Gases'', Eds. T. P\"oschel and S. Luding, Lecture Notes in Physics, Springer, pp. 351-362.

    Kirjoissa julkaistut Proceeding-artikkelit:

  • Rautiainen, P., Salo, H. (2000) Presence and Absence of Outer Rings in Barred Galaxies. In Book ``Small Galaxy Groups'': IAU Colloquium 174 (M. Valtonen, C. Flynn, eds.), Turku, Finland, 13-18 June, 1999. ASP Conference Series, Volume 209, pp. 330-333.
  • y Fuentes-Carrera, I., Rosado, M., Dultzin-Hacyan, D., Bernal, A., Cruz-González, I., Amram, P., Salo, H., Laurikainen, E., Le Coarer, E. (2000) Kinematics and Dynamics of the Isolated Interacting Galaxy Pair NGC 5426/27 In Book: Cosmic Evolution and Galaxy Formation: Structure, Interactions, and Feedback (Eds. J. Franco, L. Terlevich, O. López-Cruz, and I. Aretxaga). The 3rd Guillermo Haro Astrophysics Conference. ASP Conference Proceedings, Vol. 215, p. 49.
  • Fuentes-Carrera, I. Rosado, M. Dultzin-Hacyan, D. Bernal, A. Cruz-González, I. Amram, P., Salo, H., Laurikainen, E., Le Coarer, E. (2001). The Isolated Interacting Galaxy Pair NGC 5426/27 (Arp 271). In Book "Galaxy Disks and Disk Galaxies", Eds. José G. Funes, S. J. and Enrico Maria Corsini. ASP Conference Series, Vol. 230, pp. 463-464.
  • Fuentes-Carrera, I. Rosado, M. Dultzin-Hacyan, D. Bernal, A. Cruz-González, I. Amram, P., Salo, H., Laurikainen, E., Le Coarer, E. (2001). The Kinematics and Dynamics of the Isolated Interacting Galaxy Pair NGC 5257/58 (Arp 240). In Book "Galaxy Disks and Disk Galaxies", Eds. José G. Funes, S. J. and Enrico Maria Corsini. ASP Conference Series, Vol. 230, pp. 465-466.
  • Laurikainen, E. Salo, H. (2001) BVRI Photometry of M51-Type Pairs. In Book "Galaxy Disks and Disk Galaxies", Eds. José G. Funes, S. J. and Enrico Maria Corsini. ASP Conference Series, Vol. 230, pp. 473-474.
  • Fuentes-Carrera, I., Rosado, M., Amram, P., Dultzin-Hacyan, D., Bernal, A., Salo, H., Laurikainen, Cruz-González, I., Le Coarer, E. The Isolated Interacting Galaxy Pair NGC 5426/27 (Arp 271). The Seventh Texas-Mexico Conference on Astrophysics: Flows, Blows and Glows (Eds. William H. Lee and Silvia Torres-Peimbert) Revista Mexicana de Astronomía y Astrofísica (Serie de Conferencias) Vol. 10, pp. 134-137 (2001).

    Väitöskirjat:

  • Rautiainen, Pertti (2000): Models of barred galaxies. Dept. of Physical Sciences, Astronomy Division, Univ. of Oulu, Finland.

    Ulkomaiset kokousabstraktit:

  • Salo, H. Laurikainen, E. (2000) N-body models of M51: from extended tail to central spiral structure. Abstracts of the Joint European and National Astronomical Meeting JENAM 2000, Moscow, May 29 - June 3, 2000, p. 60.
  • Salo, H., Karjalainen, R., French, F. G. (2000). Dynamical and photometric models of azimuthal asymmetry in Saturn's rings. Abstracts of 31th Annual Meeting of the Division on Dynamical Astronomy, American Astronomical Society, Yosemite, USA, 9-12 April, 2000. B.A.A.S. 32, N:o 2, p. 863.
  • French, F. G., Dones, L., Salo, H. (2000). HST Observations of azimuthal brightnes asymmetry in Saturn's rings. Abstracts of 31th Annual Meeting of the Division on Dynamical Astronomy, American Astronomical Society, Yosemite, USA, 9-12 April, 2000. B.A.A.S. 32, N:o 2, p. 864.
  • Salo, H., Schmidt, J, Spahn, F. (2000). Viscous overstability in Saturn's B-ring: self-gravitating simulations. Abstracts of 32th Annual Meeting of the Division of Dynamical Astronomy, American Astronomical Society, 23-27 October 2000, Pasadena, USA. B.A.A.S., 32, N:o 3, p. 1089-1090.
  • Schmidt, J., Salo, H., Spahn, F. (2000). Viscous overstability in Saturn's B-ring: Hydrodynamic modeling and local simulation. Abstracts of 32th Annual Meeting of the Division of Dynamical Astronomy, American Astronomical Society, 23-27 October 2000, Pasadena, USA. B.A.A.S., 32, N:o 3, p. 1089.
  • Laurikainen, E. Salo, H (2000). BVRI-photometry of M51-type pairs. Abstracts of the Conference ``Galaxy Disks and Disk Galaxies'', June 12-16, 2000, Rome, Italy, p. 89-90.
  • Fuentes-Carrera, I., Rosado, M., Amram, P., Dultzin-Hazyan, Bernal, A, Laurikainen, E., Salo, H., Cruz-Conzales, I., Le Coarer, E. (2000). The isolated interacting pair NGC 5426/27 (Arp 271). Abstracts of the Conference ``Galaxy Disks and Disk Galaxies'', June 12-16, 2000, Rome, Italy, p. 85.
  • Fuentes-Carrera, I., Rosado, M., Amram, P., Dultzin-Hazyan, Bernal, A, Laurikainen, E., Salo, H., Cruz-Conzales, I., Le Coarer, E. (2000). The kinematics and dynamics of the interacting galaxy pair NGC 5257/58 (Arp 240). Abstracts of the Conference ``Galaxy Disks and Disk Galaxies'', June 12-16, 2000, Rome, Italy, p. 85-86.
  • Salo, H.; Karjalainen, R. (2001). Photometric modeling of Saturn's rings: Effect of high volume density. Abstracts of 33RD Annual Meeting of the Division of Dynamical Astronomy, American Astronomical Society, 27.11-1.12 2001, New Orleans, USA. B.A.A.S., 33, N:o 3, p. 1062.
  • Karjalainen, R.; Salo, H. (2001). Gravitational accretion of particles in Saturn's rings. Abstracts of 33RD Annual Meeting of the Division of Dynamical Astronomy, American Astronomical Society, 27.11-1.12 2001, New Orleans, USA. B.A.A.S., 33, N:o 3, p. 1061.
  • Gordon, M. K., Cuzzi, J. N., Lissauer, J. J., Poulet, F., Brahic, A., Charnoz, S., Ferrari, C., Burns, J. A., Nicholson, P. D., Durisen, R. H., Rappaport, N. J., Spilker, L. J., Yanamandra-Fisher, P., Bosh, A. S., Olkin, C., Larson, S. M., Graps, A. L., Krueger, H., Black, G. J., Festou, M., Karjalainen, R., Salo, H. J., Murray, C. D., Showalter, M. R., Dones, L., Levison, H. F., Namouni, F., Araki, S., Lewis, M. C., Brooks, S., Colwell, J. E., Esposito, L. W., Horanyi, M., Stewart, G. R., Krivov, A., Schmidt, J., Spahn, F., Hamilton, D. P., Giuliatti-Winter, S., French, R. G. (2001). Decadal Survey: Planetary Rings Panel. Abstracts of 33RD Annual Meeting of the Division of Dynamical Astronomy, American Astronomical Society, 27.11-1.12 2001, New Orleans, USA. B.A.A.S., 33, N:o 3, p. 1057.
  • Rautiainen, P, Salo, H, Laurikainen, E. (2001). N-body simulations of resonance rings. Abstracts of Guillermo haro Conference ``Disks of Galaxies: Kinematics, Dynamics and perturbations'', 5-9.11 2001, Puebla, Mexico, p. 77.
  • Laurikainen, E., Salo, H (2001) Bar strengths and nuclear activity. Abstracts of conference ``The Central KPC of Starbursts and AGN:s'', 7.-11.5.2001, La Palma, p.1.18.

    Kotimaiset kokousabstraktit:

  • Rautiainen, P., Salo, H. (2000). Multiple modes in barred galaxies. Proceedings of the XXXIV Annual Conference of the Finnish Physical Society, March 9-11, 2000, Espoo, Finland, p. 289.
  • Salo, H., Karjalainen R. (2000). Azimuthal brightness asymmetry in Saturn's rings: Photometric and dynamical modelling. Proceedings of the XXXIV Annual Conference of the Finnish Physical Society, March 9-11, 2000, Espoo, Finland, p. 282.

    1) Planetaariset renkaat ja satelliittisysteemit

    Tiheiden planetaaristen renkaiden dynamiikkaa hallitsee kappaleiden keskinäiset sysäykset. Niissä tapahtuva energiahukka aiheuttaa renkaiden voimakkaan litistymisen: esim. Saturnuksen renkaiden paksuus on vain n. 20 metriä, eli kymmenesmiljoonas osa niiden ulkohalkaisijasta. Tärkein tuloksemme (julkaistu Nature-lehdessä 1992) on ollut osoittaa, kuinka äärimmäinen litistyneisyys, yhdessä rengaspartikkelien keskinäisen gravitaation kanssa johtaa nauhamaisten partikkelirykelmien syntyyn. Ennustetut muodostelmat ovat Voyager-mittausten resoluution alapuolella, mutta Cassini-luotaimen pitäisi pystyä ne havaitsemaan v. 2004 saapuessaan Saturnuksen lähettyville. Rykelmien epäsuora todentaminen on kuitenkin mahdollista jo ennen Cassini-mittauksiakin, käyttämällä hyväksi Saturnuksen renkaiden ulko-osissa havaittua kirkkaus-asymmetriaa. Simulaatioiden ennustaman asymmetrian perusteella voimme arvioida partikkelien fysikaalisia ominaisuuksia, kuten sisäistä tiheyttä ja kimmoisuutta. Tuloksiemme mukaan rengaspartikkelien tiheys on mm. selvästi maanpäällisen jään tiheyttä pienempi.

    Toinen planetaarisiin renkaisiin liittyvä tutkimusongelma on satelliittien aiheuttamat häiriöt. Nämä ovat sinänsä vähäisiä, mutta ns. resonanssietäisyyksillä niiden vaikutus kasaantuu ajan mukana. Tämä voi johtaa mm. aukkojen ja tiukkaan kiertyneiden spiraaliaaltojen syntyyn, kuten on todettu Voyager-mittauksissa. Uusimmat resonansseja koskevat tutkimuksemme ovat koskeneet Neptunuksen ns. osittaista rengasta. Tämä kapea, etupäässä pölystä koostuva rengas poikkeaa kaikista muista rengassysteemeistä siinä, että sen muodostama materiaali ei ole jakaantunut tasaisesti planetaan ympärille, vaan on keskittynyt muutamaan kaarimaiseen tihentymään, jotka kaikki kiertävät samalla puolella yhteistä rataansa. Olemme vastikään esittäneet selityksen (julkaistu Science-lehdessä), joka tarjoaa stabiilin dynaamisen mallin kaarille, ottamalla huomioon niissä olevien isojen partikkelien gravitaation vaikutuksen pölyyn.

    2) Galaksien dynamikka

    Galaksitutkimuksemme ovat selvittäneet galaksien välisten gravitaatio-vuorovaikutusten osuutta galaksiparien aktiivisuuteen, sekä voimakkaiden ns. grand-design spiraalihaarojen syntyyn. Tärkein tuloksemme on ollut yksityiskohtainen simulaatiomalli tunnetulle M51-systeemille. Vastaavia mallituksia varten olemme keränneet NOT:lla laajan optisen havaintoaineiston ja täydentäneet sitä Meksikon kansallisen yliopiston San Pedro Martir-observatoriossa tekemillämme infrapuna-havainnoilla ja Fabry Perot-tekniikalla mitatuilla galaksien nopeuskentillä.

    Simulaatioiden toinen pääsovellutus on ollut galaksien sauvojen yhteys kaasukomponentissa esiintyviin rengasrakenteisiin, käyttäen hyväksi Alabaman yliopiston laajaa havaintoaineistoa. Olemme mm. laatineet mallin eräälle tyypilliselle sauvagalaksille, joka selittää yksityiskohtaisesti siinä esiintyvät rengasrakenteet, ja antaa tarkan ylarajan galaksissa olevan ns. pimeän massan määrälle. Kyseinen malli on myös ensimmäinen, jossa on täysin kiistattomasti osoitettu havaittujen kaasurenkaiden ja pyörivän sauvapotentiaalin resonanssi-kohtien yksikäsitteinen vastaavuus.