Život galaksija i povijest njihovog proučavanja

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Povijest proučavanja planeta i zvijezda mjeri se tisućljećima, Sunca, kometa, asteroida i meteorita - stoljećima. Ali galaksije, raspršene po svemiru, nakupine zvijezda, kozmičke čestice plina i prašine, postale su predmet znanstvenih istraživanja tek 1920-ih.

Galaksije se promatraju od pamtivijeka. Osoba oštrog vida može razlikovati svjetlosne mrlje na noćnom nebu, slične kapljicama mlijeka. U 10. stoljeću, perzijski astronom Abd-al-Raman al-Sufi spomenuo je u svojoj Knjizi fiksnih zvijezda dvije slične točke, danas poznate kao Veliki Magelanov oblak i galaksija M31, zvana Andromeda.

S pojavom teleskopa, astronomi su promatrali sve više i više ovih objekata, zvanih maglice. Ako je engleski astronom Edmund Halley 1716. naveo samo šest maglica, onda je katalog koji je 1784. objavio francuski pomorski astronom Charles Messier već sadržavao 110 – a među njima i četiri tuceta stvarnih galaksija (uključujući M31).

Godine 1802. William Herschel je objavio popis od 2500 maglica, a njegov sin John je 1864. objavio katalog s više od 5000 maglica.

Naš najbliži susjed, galaksija Andromeda (M31), jedan je od omiljenih nebeskih objekata za amaterska astronomska promatranja i fotografije.

Priroda ovih objekata dugo je izmicala razumijevanju. Sredinom 18. stoljeća neki pronicljivi umovi vidjeli su u njima zvjezdane sustave slične Mliječnoj stazi, ali teleskopi u to vrijeme nisu davali priliku za provjeru ove hipoteze.

Stoljeće kasnije prevladalo je mišljenje da je svaka maglica oblak plina kojeg iznutra osvjetljava mlada zvijezda. Kasnije su se astronomi uvjerili da neke maglice, uključujući Andromedu, sadrže mnogo zvijezda, ali dugo nije bilo jasno nalaze li se one u našoj galaksiji ili izvan nje.

Tek je 1923-1924 Edwin Hubble utvrdio da je udaljenost od Zemlje do Andromede najmanje tri puta veća od promjera Mliječne staze (u stvari, oko 20 puta) i da M33, još jedna maglica iz Messierovog kataloga, nije manje udaljen od nas.udaljenost. Ovi rezultati označili su početak nove znanstvene discipline – galaktičke astronomije.

Godine 1926. poznati američki astronom Edwin Powell Hubble predložio je (i 1936. modernizirao) svoju klasifikaciju galaksija prema njihovoj morfologiji. Zbog svog karakterističnog oblika, ova klasifikacija se naziva i "Hubble tuning fork".

Na "stabljici" vilice za podešavanje nalaze se eliptične galaksije, na zupcima vilice - lentikularne galaksije bez rukava i spiralne galaksije bez šipke-mosta i s šipkom. Galaksije koje se ne mogu svrstati u jednu od navedenih klasa nazivaju se nepravilne, odnosno nepravilne.

Patuljci i divovi

Svemir je ispunjen galaksijama različitih veličina i masa. Njihov je broj vrlo približno poznat. Godine 2004. orbitirajući teleskop Hubble otkrio je oko 10.000 galaksija u tri i pol mjeseca, skenirajući u južnom zviježđu Fornax područje neba koje je stotinu puta manje od površine Mjesečevog diska.

Ako pretpostavimo da su galaksije raspoređene po nebeskoj sferi iste gustoće, ispada da ih u promatranom prostoru ima 200 milijardi, no ta je procjena uvelike podcijenjena, budući da teleskop nije mogao uočiti veliki broj vrlo slabih galaksija..

Forma i sadržaj

Galaksije se također razlikuju po morfologiji (odnosno po obliku). Općenito se dijele u tri glavne klase - diskaste, eliptične i nepravilne (nepravilne). Ovo je opća klasifikacija, ima mnogo detaljnijih.

Galaksije uopće nisu nasumično raspoređene u svemiru. Masivne galaksije često su okružene malim satelitskim galaksijama. I naša Mliječna staza i susjedna Andromeda imaju najmanje 14 satelita, a najvjerojatnije ih ima mnogo više. Galaksije se vole ujedinjavati u parove, trojke i veće grupe od desetaka gravitacijski vezanih partnera.

Veće asocijacije, galaktička jata, sadrže stotine i tisuće galaksija (prvu od takvih jata otkrio je Messier). Ponekad se u središtu jata opaža posebno svijetla divovska galaksija, za koju se vjeruje da je nastala tijekom spajanja manjih galaksija.

I na kraju, tu su i superklasteri, koji uključuju i galaktičke jate i skupine, te pojedinačne galaksije. Obično su to izdužene strukture duljine do stotina megaparseka. Razdvojene su gotovo potpuno bez galaksija svemirskim prazninama iste veličine.

Superklasteri više nisu organizirani u strukture višeg reda i raspršeni su po Kozmosu na nasumičan način. Iz tog razloga, na ljestvici od nekoliko stotina megaparseka, naš Svemir je homogen i izotropan.

Galaksija u obliku diska je zvjezdana palačinka koja se okreće oko osi koja prolazi kroz njezino geometrijsko središte. Obično se s obje strane središnje zone palačinke nalazi ovalna izbočina (od engleskog bulge). Izbočina se također rotira, ali s manjom kutnom brzinom od diska. U ravnini diska često se opažaju spiralne grane koje obiluju relativno mladim svijetlim svjetiljkama. Međutim, postoje galaktički diskovi bez spiralne strukture, gdje takvih zvijezda ima mnogo manje.

Središnja zona galaksije u obliku diska može biti presječena zvjezdanom šipkom - šipkom. Prostor unutar diska ispunjen je plinom i prašinom - izvornim materijalom za nove zvijezde i planetarne sustave. Galaksija ima dva diska: zvjezdani i plinoviti.

Okruženi su galaktičkim haloom – sfernim oblakom razrijeđenog vrućeg plina i tamne tvari, što daje glavni doprinos ukupnoj masi galaksije. Halo također sadrži pojedinačne stare zvijezde i kuglaste zvjezdane jate (kuglaste nakupine) stare do 13 milijardi godina. U središtu gotovo svake galaksije u obliku diska, sa ili bez ispupčenja, nalazi se supermasivna crna rupa. Najveće galaksije ove vrste sadrže po 500 milijardi zvijezda.

mliječna staza

Sunce se okreće oko središta sasvim obične spiralne galaksije, koja uključuje 200-400 milijardi zvijezda. Promjer mu je otprilike 28 kiloparseka (nešto više od 90 svjetlosnih godina). Polumjer solarne intragalaktičke orbite je 8,5 kiloparseka (tako da je naša zvijezda pomaknuta na vanjski rub galaktičkog diska), vrijeme potpune revolucije oko središta Galaksije je oko 250 milijuna godina.

Izbočina Mliječne staze je eliptičnog oblika i ima prečku koja je nedavno otkrivena. U središtu izbočine je kompaktna jezgra ispunjena zvijezdama različite starosti - od nekoliko milijuna godina do milijardu i više godina. Unutar jezgre, iza gustih prašnjavih oblaka, nalazi se prilično skromna crna rupa prema galaktičkim standardima - samo 3,7 milijuna solarnih masa.

Naša galaksija ima dvostruki zvjezdani disk. Unutarnji disk, koji nema više od 500 parseka okomito, čini 95% zvijezda u zoni diska, uključujući sve mlade svijetle zvijezde. Okružen je vanjskim diskom debljine 1500 parseka, gdje žive starije zvijezde. Plinoviti (točnije, plinsko-prašinski) disk Mliječne staze debeo je najmanje 3,5 kiloparseka. Četiri spiralna kraka diska su područja povećane gustoće medija plina i prašine i sadrže većinu najmasivnijih zvijezda.

Promjer aureole Mliječne staze je najmanje dvostruko veći od promjera diska. Ondje je otkriveno oko 150 kuglastih nakupina, a najvjerojatnije još pedesetak još nije otkriveno. Najstariji skupovi stari su preko 13 milijardi godina. Halo je ispunjen tamnom materijom kvrgave strukture.

Donedavno se vjerovalo da je aureola gotovo sferična, međutim, prema posljednjim podacima, može biti značajno spljoštena. Ukupna masa Galaksije može biti do 3 trilijuna solarnih masa, a tamna tvar čini 90-95%. Masa zvijezda u Mliječnom putu procjenjuje se na 90-100 milijardi puta veću od mase Sunca.

Eliptična galaksija, kao što joj ime govori, je elipsoidna. Ne rotira se kao cjelina i stoga nema aksijalnu simetriju. Njegove zvijezde, koje uglavnom imaju relativno malu masu i znatnu starost, okreću se oko galaktičkog središta u različitim ravninama, a ponekad ne pojedinačno, već u jako izduženim lancima.

Nova svjetiljka u eliptičnim galaksijama rijetko svijetle zbog nedostatka sirovine – molekularnog vodika.

Poput ljudi, galaksije su grupirane zajedno. Naša lokalna grupa uključuje dvije najveće galaksije u blizini oko 3 megaparseka - Mliječnu stazu i Andromedu (M31), galaksiju Triangulum, kao i njihove satelite - Veliki i Mali Magellanov oblak, patuljaste galaksije u Velikom psu, Pegaz, Carina, Sextant, Phoenix i mnogi drugi - ukupno pedesetak. Lokalna grupa je pak članica lokalnog superklastera Djevice.

I najveća i najmanja galaksija su eliptičnog tipa. Ukupan udio njegovih predstavnika u galaktičkoj populaciji Svemira je samo oko 20%. Ove galaksije (s mogućim izuzetkom onih najmanjih i najslabijih) također skrivaju supermasivne crne rupe u svojim središnjim zonama. Eliptične galaksije također imaju aureole, ali ne tako jasne kao one u obliku diska.

Sve ostale galaksije smatraju se nepravilnim. Sadrže puno prašine i plina i aktivno proizvode mlade zvijezde. Malo je takvih galaksija na umjerenim udaljenostima od Mliječne staze, samo 3%.

Međutim, među objektima s velikim crvenim pomakom, čija je svjetlost emitirana najkasnije 3 milijarde godina nakon Velikog praska, njihov udio naglo raste. Očigledno su svi zvjezdani sustavi prve generacije bili mali i imali su nepravilne obrise, a velike galaksije u obliku diska i eliptične su nastale mnogo kasnije.

Rađanje galaksija

Galaksije su rođene ubrzo nakon zvijezda. Vjeruje se da su prva svjetiljka bljesnula najkasnije 150 milijuna godina nakon Velikog praska. U siječnju 2011. tim astronoma koji je obrađivao informacije s Hubble svemirskog teleskopa izvijestio je o vjerojatnom promatranju galaksije čija je svjetlost otišla u svemir 480 milijuna godina nakon Velikog praska.

U travnju je drugi istraživački tim otkrio galaksiju koja je, po svoj prilici, već bila potpuno formirana kada je mladi svemir bio star oko 200 milijuna godina.

Uvjeti za rađanje zvijezda i galaksija nastali su mnogo prije nego što je počelo. Kada je svemir prešao granicu od 400.000 godina, plazma u svemiru zamijenjena je mješavinom neutralnog helija i vodika. Taj je plin još uvijek bio prevruć da bi se spojio u molekularne oblake koji stvaraju zvijezde.

Međutim, bio je u blizini čestica tamne tvari, u početku raspoređenih u prostoru ne baš ravnomjerno - gdje je malo gušće, gdje je razrijeđeniji. Nisu stupili u interakciju s barionskim plinom i stoga su pod djelovanjem međusobnog privlačenja slobodno kolabirali u zone povećane gustoće.

Prema proračunima modela, unutar sto milijuna godina nakon Velikog praska, u svemiru su se formirali oblaci tamne tvari veličine trenutnog Sunčevog sustava. Kombinirali su se u veće strukture, unatoč širenju prostora. Tako su nastale nakupine oblaka tamne tvari, a zatim nakupine tih nakupina. Usisali su svemirski plin, omogućivši mu da se zgusne i uruši.

Tako su se pojavile prve supermasivne zvijezde koje su brzo eksplodirale u supernove i za sobom ostavile crne rupe. Te su eksplozije obogatile prostor elementima težim od helija, koji su pomogli u hlađenju oblaka plina koji se urušavaju i stoga omogućili pojavu manje masivnih zvijezda druge generacije.

Takve su zvijezde mogle postojati već milijardama godina i stoga su mogle oblikovati (opet uz pomoć tamne tvari) gravitacijsko vezane sustave. Tako su nastale dugovječne galaksije, uključujući i našu.

“Mnogi detalji galaktogeneze još su skriveni u magli”, kaže John Kormendy. - Posebno se to odnosi na ulogu crnih rupa. Njihove mase kreću se od desetaka tisuća solarnih masa do trenutnog apsolutnog rekorda od 6,6 milijardi solarnih masa, koji pripadaju crnoj rupi iz jezgre eliptične galaksije M87, koja se nalazi 53,5 milijuna svjetlosnih godina od Sunca.

Rupe u središtima eliptičnih galaksija obično su okružene ispupčenjima koja se sastoje od starih zvijezda. Spiralne galaksije možda uopće nemaju ispupčenja ili imaju svoje ravne sličnosti, pseudo-izbočine. Masa crne rupe je obično tri reda veličine manja od mase izbočine - naravno, ako je prisutna. Ovaj obrazac potvrđuju promatranja koja pokrivaju rupe s masom od milijun do milijardu solarnih masa."

Prema profesoru Kormendyju, galaktičke crne rupe dobivaju masu na dva načina. Rupa, okružena punopravnim izbočenjem, raste zbog apsorpcije plina koji dolazi do izbočine iz vanjske zone galaksije. Tijekom spajanja galaksija, intenzitet dotoka ovog plina naglo raste, što inicira izljeve kvazara.

Kao rezultat toga, izbočine i rupe se razvijaju paralelno, što objašnjava korelaciju između njihovih masa (međutim, mogu funkcionirati i drugi, još nepoznati mehanizmi).

Istraživači sa Sveučilišta Pittsburgh, UC Irvine i Atlantic University of Florida modelirali su sudar Mliječne staze i prethodnika patuljaste eliptične galaksije Strijelca (SagDEG) u Strijelcu.

Analizirali su dvije opcije za sudare - s lakom (3x10¹⁰solarne mase) i teške (10¹¹ solarne mase) SagDEG. Slika prikazuje rezultate 2,7 milijardi godina evolucije Mliječne staze bez interakcije s patuljastom galaksijom i uz interakciju s laganom i teškom varijantom SagDEG-a.

Galaksije bez ćelavosti i galaksije s pseudo-izbočinama su druga stvar. Mase njihovih rupa obično ne prelaze 104-106 solarnih masa. Prema profesoru Kormendyju, oni se napajaju plinom zbog slučajnih procesa koji se događaju u blizini rupe, a ne protežu se po cijeloj galaksiji. Takva rupa raste bez obzira na evoluciju galaksije ili njezinu pseudo-izbočinu, što objašnjava nedostatak korelacije između njihovih masa.

Rastuće galaksije

Galaksije se mogu povećati i u veličini i u masi. "U dalekoj prošlosti, galaksije su to činile mnogo učinkovitije nego u novijim kozmološkim razdobljima", objašnjava Garth Illingworth, profesor astronomije i astrofizike na Sveučilištu California, Santa Cruz. - Stopa rađanja novih zvijezda procjenjuje se u smislu godišnje proizvodnje jedinice mase zvjezdane tvari (u tom svojstvu mase Sunca) po jedinici volumena svemirskog prostora (obično kubični megaparsek).

U vrijeme nastanka prvih galaksija ta je brojka bila vrlo mala, a zatim je počela brzo rasti, što se nastavilo sve dok Svemir nije bio star 2 milijarde godina. Još 3 milijarde godina bio je relativno konstantan, zatim je počeo opadati gotovo proporcionalno vremenu, a taj pad traje do danas. Dakle, prije 7-8 milijardi godina prosječna stopa stvaranja zvijezda bila je 10-20 puta veća od sadašnje. Većina vidljivih galaksija već je u potpunosti formirana u toj dalekoj epohi."

Slika prikazuje rezultate evolucije u različito vrijeme - početnu konfiguraciju (a), nakon 0, 9 (b), 1, 8 © i 2, 65 milijardi godina (d). Prema proračunima modela, šipka i spiralni krakovi Mliječne staze mogli su nastati kao rezultat sudara sa SagDEG-om, koji je u početku povukao 50-100 milijardi solarnih masa.

Dvaput je prošao kroz disk naše Galaksije i izgubio dio svoje materije (i obične i tamne), uzrokujući poremećaje njene strukture. Trenutna masa SagDEG-a ne prelazi desetke milijuna solarnih masa, a sljedeći sudar, koji se očekuje najkasnije 100 milijuna godina kasnije, za njega će najvjerojatnije biti posljednji.

Općenito, ovaj trend je razumljiv. Galaksije rastu na dva glavna načina. Prvo, dobivaju svježi zvjezdani materijal uvlačeći čestice plina i prašine iz okolnog prostora. Nekoliko milijardi godina nakon Velikog praska, ovaj mehanizam je ispravno funkcionirao jednostavno zato što je u svemiru bilo dovoljno zvjezdane sirovine za sve.

Zatim, kada su se rezerve iscrpile, stopa zvjezdanog rođenja je pala. Međutim, galaksije su pronašle sposobnost povećanja sudara i spajanja. Istina, da bi se ova opcija mogla realizirati, galaksije u sudaru moraju imati pristojnu zalihu međuzvjezdanog vodika. Za velike eliptične galaksije, gdje ga praktički nema, spajanje ne pomaže, ali u diskoidnim i nepravilnim galaksijama djeluje.

Sudarni tečaj

Pogledajmo što se događa kada se spoje dvije približno identične galaksije tipa diska. Njihove se zvijezde gotovo nikad ne sudaraju – udaljenosti između njih su prevelike. Međutim, plinoviti disk svake galaksije doživljava plimne sile zbog gravitacije susjedne galaksije. Barionska tvar diska gubi dio kutnog momenta i pomiče se u središte galaksije, gdje nastaju uvjeti za eksplozivan rast brzine stvaranja zvijezda.

Dio ove tvari apsorbiraju crne rupe, koje također dobivaju na masi. U završnoj fazi ujedinjenja galaksija, crne rupe se spajaju, a zvjezdani diskovi obiju galaksija gube svoju prijašnju strukturu i raspršuju se u svemiru. Kao rezultat, jedna eliptična nastaje od para spiralnih galaksija. Ali ovo nipošto nije potpuna slika. Zračenje mladih svijetlih zvijezda može izbaciti dio vodika iz novorođene galaksije.

Istovremeno, aktivna akrecija plina na crnu rupu tjera potonju da s vremena na vrijeme ispaljuje mlazove golemih energetskih čestica u svemir, zagrijavajući plin u cijeloj galaksiji i na taj način sprječavajući stvaranje novih zvijezda. Galaksija se postupno stišava – najvjerojatnije zauvijek.

Galaksije različitih veličina sudaraju se različito. Velika galaksija sposobna je progutati patuljastu galaksiju (odjednom ili u nekoliko koraka) i istovremeno očuvati vlastitu strukturu. Ovaj galaktički kanibalizam također može potaknuti stvaranje zvijezda.

Patuljasta galaksija je potpuno uništena, ostavljajući iza sebe lance zvijezda i mlazove kozmičkog plina, koji se opažaju i u našoj Galaksiji i u susjednoj Andromedi. Ako jedna od galaksija u sudaru nije previše superiorna u odnosu na drugu, mogući su još zanimljiviji efekti.

Čeka se super teleskop

Galaktička astronomija preživjela je gotovo jedno stoljeće. Krenula je praktički od nule i postigla mnogo. Međutim, broj neriješenih problema je vrlo velik. Znanstvenici puno očekuju od infracrvenog orbitalnog teleskopa James Webb, koji je trebao biti lansiran 2021. godine.