ทฤษฎีคลื่นความหนาแน่นหรือทฤษฎีคลื่นความหนาแน่นของหลิน-ชูเป็นทฤษฎีที่เสนอโดยซี.ซี. หลินและแฟรงค์ ชูในช่วงกลางทศวรรษ 1960 เพื่ออธิบายโครงสร้างแขนก้นหอยของกาแล็กซีแบบ ก้นหอย ^{[ 1 ] [ 2 ]}ทฤษฎีของหลิน-ชู นำเสนอแนวคิดของโครงสร้างก้นหอยกึ่งคงที่ที่มีอายุยืนยาว (สมมติฐาน QSSS) ^{[ 1 ]}ในสมมติฐานนี้ รูปแบบก้นหอยหมุนด้วยความถี่เชิงมุม เฉพาะ (ความเร็วของรูปแบบ) ในขณะที่ดาวฤกษ์ในจานกาแล็กซีโคจรด้วยความเร็วที่แตกต่างกันซึ่งขึ้นอยู่กับระยะห่างจากศูนย์กลางกาแล็กซีการมีอยู่ของคลื่นความหนาแน่นแบบก้นหอยในกาแล็กซีมีนัยสำคัญต่อการก่อตัวของดาวฤกษ์เนื่องจากก๊าซที่โคจรรอบกาแล็กซีอาจถูกบีบอัดและทำให้เกิดคลื่นกระแทกเป็นระยะ^{[ 3 ]}ในทางทฤษฎี การก่อตัวของรูปแบบก้นหอยทั่วโลกถือเป็นความไม่เสถียรของจานดาวฤกษ์ที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงในตัวเองตรงข้ามกับปฏิสัมพันธ์ของกระแสน้ำขึ้นลง^{[ 4 ]}การกำหนดสูตรทางคณิตศาสตร์ของทฤษฎียังขยายไปยังระบบจานทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์อื่นๆ^{[ 5 ]}เช่นวงแหวนของดาวเสาร์

เดิมทีนักดาราศาสตร์มีความคิดว่าแขนของกาแล็กซีเกลียวเป็นสสาร อย่างไรก็ตาม หากเป็นเช่นนั้น แขนก็จะพันกันแน่นขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากสสารที่อยู่ใกล้ศูนย์กลางของกาแล็กซีหมุนเร็วกว่าสสารที่อยู่ขอบกาแล็กซี^{[ 6 ]}แขนจะแยกไม่ออกจากส่วนที่เหลือของกาแล็กซีหลังจากโคจรเพียงไม่กี่รอบ นี่เรียกว่าปัญหาการพันกัน^{[ 7 ]}

Lin & Shu เสนอในปี 1964 ว่าแขนของกาแล็กซีไม่ได้มีลักษณะเป็นวัตถุ แต่ประกอบขึ้นจากบริเวณที่มีความหนาแน่นมากกว่า คล้ายกับการจราจรติดขัดบนทางหลวง รถยนต์เคลื่อนที่ผ่านการจราจรติดขัด ความหนาแน่นของรถยนต์เพิ่มขึ้นตรงกลาง แต่การจราจรติดขัดนั้นกลับเคลื่อนที่ช้าลง^{[ 1 ]}ในกาแล็กซี ดาวฤกษ์ ก๊าซ ฝุ่น และส่วนประกอบอื่นๆ เคลื่อนที่ผ่านคลื่นความหนาแน่น ถูกบีบอัด แล้วจึงเคลื่อนที่ออกจากคลื่นเหล่านั้น

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทฤษฎีคลื่นความหนาแน่นโต้แย้งว่า "แรงดึงดูดระหว่างดาวฤกษ์ที่มีรัศมีต่างกัน" ป้องกันสิ่งที่เรียกว่าปัญหาการพันกัน และแท้จริงแล้วยังคงรักษารูปแบบเกลียวไว้^{[ 8 ]}

ความเร็วในการหมุนของแขนถูกกำหนดให้เป็น${\displaystyle \Omega _{gp}}$ความเร็วของรูปแบบโดยรวม (ดังนั้น ภายในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย บางกรอบ ซึ่งกำลังหมุนด้วยความเร็ว)${\displaystyle \Omega _{gp}}$แขนกังวลดูเหมือนจะหยุดนิ่ง) ดาวฤกษ์ภายในแขนกังวลนั้นไม่จำเป็นต้องหยุดนิ่งเสมอไป แม้ว่าจะอยู่ห่างจากศูนย์กลางในระยะหนึ่งก็ตาม${\displaystyle R_{c}}$ภายในรัศมีโคโรเทชั่น ดาวฤกษ์และคลื่นความหนาแน่นจะเคลื่อนที่ไปด้วยกัน ภายในรัศมีนั้น ดาวฤกษ์จะเคลื่อนที่เร็วขึ้น (${\displaystyle \Omega >\Omega _{gp}}$) กว่าบริเวณแขนกังวล และด้านนอก ดาวฤกษ์จะเคลื่อนที่ช้ากว่า (${\displaystyle \Omega <\Omega _{gp}}$). ^{[ 7 ]} สำหรับ เกลียว mแขน ดาวที่รัศมีRจากศูนย์กลางจะเคลื่อนที่ผ่านโครงสร้างด้วยความถี่${\displaystyle m(\Omega _{gp}-\Omega (R))}$ดังนั้น แรงดึงดูดระหว่างดาวฤกษ์จะสามารถรักษารูปทรงเกลียวไว้ได้ก็ต่อเมื่อความถี่ที่ดาวฤกษ์ดวงหนึ่งโคจรผ่านแขนของเกลียวมีค่าน้อยกว่าความถี่ของวงโคจรย่อยเท่านั้น${\displaystyle \kappa (R)}$ของดาวฤกษ์ หมายความว่าโครงสร้างเกลียวที่มีอายุยืนยาวจะเกิดขึ้นได้เฉพาะระหว่างเรโซแนนซ์ลินด์แบลด ด้านในและด้านนอก (ILR และ OLR ตามลำดับ) ซึ่งกำหนดโดยรัศมีดังนี้:${\displaystyle \Omega (R)=\Omega _{gp}+\kappa /m}$และ${\displaystyle \Omega (R)=\Omega _{gp}-\kappa /m}$ตามลำดับ เมื่อผ่าน OLR และภายใน ILR ความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นในแขนกังวลจะดึงบ่อยกว่าอัตราการโคจรของดาวฤกษ์ และดาวฤกษ์จึงไม่สามารถตอบสนองและเคลื่อนที่ในลักษณะที่จะ "เสริมความแข็งแกร่งของการเพิ่มความหนาแน่นของกังวล" ได้^{[ 8 ]}

• ภาพเคลื่อนไหว 1:หากแขนกังวลของกาแล็กซีเป็นกลุ่มมวลที่แข็งตัว กาแล็กซีจะต้องหมุนรอบศูนย์กลางของมันทั้งหมดเพื่อรักษารูปทรงกังวลเอาไว้ แต่จากการสังเกตของลินด์แบลดและกฎทางฟิสิกส์แล้ว นี่ไม่ใช่กรณีที่เป็นจริง
• ภาพเคลื่อนไหว 2:การหมุนที่แตกต่างกันดังที่ลินด์แบลดสังเกตได้ จะทำให้แขนกังวลสลายไปในระยะเวลาอันสั้น หากแขนกังวลเหล่านั้นประกอบด้วยความเข้มข้นของมวลคงที่
• ภาพเคลื่อนไหวที่ 3:วงโคจรที่ทำนายโดยทฤษฎีคลื่นความหนาแน่นทำให้เกิดแขนกังวลที่เสถียรได้ ดาวฤกษ์เคลื่อนที่เข้าและออกจากแขนกังวลขณะโคจรรอบกาแล็กซี

ทฤษฎีคลื่นความหนาแน่นยังอธิบายการสังเกตการณ์อื่นๆ อีกหลายประการเกี่ยวกับกาแล็กซีเกลียว ตัวอย่างเช่น "การเรียงตัวของเมฆ HIและแถบฝุ่นที่ขอบด้านในของแขนเกลียว การมีอยู่ของดาวฤกษ์อายุน้อยขนาดใหญ่และบริเวณ H IIตลอดทั้งแขน และดาวฤกษ์สีแดงเก่าจำนวนมากในส่วนที่เหลือของจาน" ^{[ 7 ]}

เมื่อกลุ่มก๊าซและฝุ่นละอองเคลื่อนเข้าสู่คลื่นความหนาแน่นและถูกบีอัด อัตราการเกิดดาวฤกษ์จะเพิ่มขึ้น เนื่องจากกลุ่มก๊าซบางส่วนเป็นไปตามเกณฑ์ของจีนส์และยุบตัวลงเพื่อก่อตัวเป็นดาวฤกษ์ดวงใหม่ เนื่องจากกระบวนการเกิดดาวฤกษ์ไม่ได้เกิดขึ้นทันที ดาวฤกษ์จึงอยู่ค่อนข้างช้ากว่าคลื่นความหนาแน่นดาวฤกษ์ OB ที่ร้อน จัดที่เกิดขึ้นจะทำให้ก๊าซในตัวกลางระหว่างดาวฤกษ์แตกตัว เป็น ไอออน และก่อตัวเป็นบริเวณ H II ดาวฤกษ์เหล่านี้มีอายุขัยค่อนข้างสั้น และดับไปก่อนที่จะออกจากคลื่นความหนาแน่นโดยสมบูรณ์ ส่วนดาวฤกษ์ขนาดเล็กกว่าและมีสีแดงกว่าจะออกจากคลื่น และกระจายตัวไปทั่วจานกาแล็กซี

คลื่นความหนาแน่นยังได้รับการอธิบายว่าเป็นการเพิ่มแรงดันให้กับเมฆก๊าซและทำให้เกิดการก่อตัวของดาวฤกษ์^{[ 6 ]}

ตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1970 ปีเตอร์ โกลด์ไรช์แฟรงค์ ชูและคนอื่นๆ ได้นำทฤษฎีคลื่นความหนาแน่นมาประยุกต์ใช้กับวงแหวนของดาวเสาร์^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} วงแหวนของดาวเสาร์ (โดยเฉพาะวงแหวน A ) ประกอบด้วยคลื่นความหนาแน่นแบบเกลียวและคลื่นการโค้งงอแบบเกลียวจำนวนมาก ซึ่งถูกกระตุ้นโดยเรโซแนนซ์ของลินด์แบลดและเรโซแนนซ์แนวตั้ง (ตามลำดับ) กับดวงจันทร์ของดาวเสาร์ฟิสิกส์ส่วนใหญ่เหมือนกับในกาแล็กซี แม้ว่าคลื่นเกลียวในวงแหวนของดาวเสาร์จะพันกันแน่นกว่ามาก (ขยายออกไปเพียงไม่กี่ร้อยกิโลเมตรเท่านั้น) เนื่องจากมวลส่วนกลางขนาดใหญ่มาก (ดาวเสาร์เอง) เมื่อเทียบกับมวลของจาน^{[ 11 ]} ภารกิจแคสสินีได้เปิดเผยคลื่นความหนาแน่นขนาดเล็กมากที่ถูกกระตุ้นโดยดวงจันทร์วงแหวนแพนและแอตลาสและโดยเรโซแนนซ์ลำดับสูงกับดวงจันทร์ขนาดใหญ่กว่า^{[ 12 ]}รวมถึงคลื่นที่มีรูปแบบเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาเนื่องจากวงโคจรที่แปรผันของยานัสและเอพิเมเทอุส^{[ 13 ]}

• เบอร์ติน, จูเซปเป. 2000. พลวัตของกาแล็กซี. เคมบริดจ์: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์.
• Bertin, G. และ CC Lin. 1996. โครงสร้างเกลียวในกาแล็กซี: ทฤษฎีคลื่นความหนาแน่น. เคมบริดจ์: สำนักพิมพ์ MIT.
• CC Lin, Yuan, C. และ FH Shu, "เกี่ยวกับโครงสร้างเกลียวของกาแล็กซีจาน III. การเปรียบเทียบกับการสังเกตการณ์" , Ap.J. 155, 721 (1969). (SCI)
• หยวน ซี. "การประยุกต์ใช้ทฤษฎีคลื่นความหนาแน่นกับโครงสร้างเกลียวของระบบกาแล็กซีทางช้างเผือก ตอนที่ 1 การเคลื่อนที่อย่างเป็นระบบของไฮโดรเจนที่เป็นกลาง"วารสารดาราศาสตร์ 158, 871 (1969) (SCI)

• Britannica.com: ทฤษฎีคลื่นความหนาแน่น (โครงสร้างกาแล็กซี)
• สารานุกรมวิทยาศาสตร์ออนไลน์: คลื่นความหนาแน่น
• UOttawa FactGuru: ทฤษฎีคลื่นความหนาแน่น