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)

UUTTA 25.10.2007: Oulu osallisena Saturnuksen renkaita koskevassa Nature artikkelissa

UUTTA 25.10.2007: MUITA SATURNUKSEN RENKAIDEN TUTKIMUKSIA OULUSSA

Perusteellisempi kuvaus tutkimuksista (ryhma, yhteistyotahot, julkaisut)

NEW: NIRS0S Survey Oulu homepage

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/ryhmällä on jo 20 vuoden kokemus. Simulaatioiden tuloksia verrataan analyyttisiin malleihin ja havaintoihin: Aurinkokunnan kohteiden osalta Cassini- ja Voyager-luotaimien mittauksiin, ja galaksien osalta European Southern Observatory (ESO) teleskoopeilla, Pohjoismaisella NOT-teleskoopilla ja muilla kansainvälisillä teleskoopeilla tekemiimme havaintoihin. Tärkeimmat ulkomaiset yhteistyötahot ovat Alabaman yliopisto ja Kanarian saarten Astrofysiikan Instituutti (IAC) (galaksitutkimus) sekä Boulderin 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).

    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) 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. [Tämän Cassini tekikin v. 2005, tähdenpeittohavaintojen avulla, kts linkki ] 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

    Galaksitutkimuksessa koordinoimme, yhdessä Alabaman yliopiston ja Kanarian saarten tähtitieteen instituutin IAC:n kanssa laajaa, varhaisia linssigalakseja koskevaa havaintoprojektia, käyttäen ESO:n (European Southern Observatory; VLT, NTT), La Palman (NOT, WHT, TNG) sekä Cerro Tololon teleskooppeja. Havainto-ohjelma keskittyy pääasiassa galaksien optiseen ja infrapuna kuvaukseen, mutta osa tutkimuksestamme liittyy myös galaksien kinematiikkaan. Tekemiämme havaintoja käytämme mm. teoreettiseen mallintamiseen N-kappaleen simulaatioiden avulla. Osana kinemaattisia tutkimuksia olemme my\"os mukana Fabry-Perot instrumenttihankkeessa ESO:n NTT teleskoopille. Lisäksi osallistumme Nils Bervallin (Uppsalan Yliopisto) johtamaan projektiin, jossa tutkitaan pienen pintakirkkauden omaavia galakseja käyttäen Spitzer avaruusteleskooppia.

    Yksityiskohtaiset rakenneanalyysimme ovat osoittaneet että pallomaisten rakennekomponenttien massa on lähes puolet pienempi aiempiin arvioihin verrattuna. Tulos sopii huonosti hypoteesiin, jonka mukaan linssigalaksit olisivat syntyneet pääasiassa galaksien yhteentörmäyksissä kehityksen varhaisessa vaiheessa.

    Aiemmat galaksitutkimuksemme ovat selvittäneet myös galaksien välisten gravitaatio-vuorovaikutusten osuutta galaksiparien aktiivisuuteen, sekä voimakkaiden ns. grand-design spiraalihaarojen syntyyn. Tärkein tuloksista on ollut yksityiskohtainen simulaatiomalli tunnetulle M51-systeemille. 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.


    Julkaisut v. 2000-

    Uusimmat artikkelit (kansainväliset referee-lehdet):





    Väitöskirjat:

  • Rautiainen, Pertti (2000): Models of barred galaxies. Dept. of Physical Sciences, Astronomy Division, Univ. of Oulu, Finland. Karjalainen, Raine (2007): Dynamical and photometric modeling of Saturn's Rings Dept. of Physical Sciences, Astronomy Division, Univ. of Oulu, Finland.

    Kirjoissa julkaistut referoidut artikkelit (vain v. 2001):

  • 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).
  • Hänninen, 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 (vain v. 2001):

  • 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).

    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.