Livet til galakser og historien til deres studier

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Historien om studiet av planeter og stjerner er målt i årtusener, sola, kometer, asteroider og meteoritter - i århundrer. Men galakser, spredt over hele universet, klynger av stjerner, kosmisk gass og støvpartikler, ble gjenstand for vitenskapelig forskning først på 1920-tallet.

Galakser har blitt observert i uminnelige tider. En person med skarpt syn kan skille lyse flekker på nattehimmelen, som ligner på melkedråper. På 1000-tallet nevnte den persiske astronomen Abd-al-Raman al-Sufi i sin Book of Fixed Stars to lignende steder, nå kjent som den store magellanske skyen og galaksen M31, også kjent som Andromeda.

Med fremkomsten av teleskoper har astronomer observert flere og flere av disse objektene, kalt tåker. Hvis den engelske astronomen Edmund Halley listet opp bare seks tåker i 1716, inneholdt katalogen utgitt i 1784 av den franske marineastronomen Charles Messier allerede 110 - og blant dem fire dusin ekte galakser (inkludert M31).

I 1802 publiserte William Herschel en liste over 2500 tåker, og sønnen John publiserte en katalog med mer enn 5000 tåker i 1864.

Vår nærmeste nabo, Andromeda-galaksen (M31), er et av de himmelske favorittobjektene for amatørastronomiske observasjoner og fotografering.

Naturen til disse gjenstandene har lenge unngått forståelse. På midten av 1700-tallet så noen kresne sinn i seg stjernesystemer som ligner på Melkeveien, men teleskoper på den tiden ga ikke anledning til å teste denne hypotesen.

Et århundre senere rådde oppfatningen at hver tåke er en gassky opplyst fra innsiden av en ung stjerne. Senere ble astronomer overbevist om at noen tåker, inkludert Andromeda, inneholder mange stjerner, men lenge var det ikke klart om de befinner seg i vår galakse eller utenfor.

Det var først i 1923-1924 at Edwin Hubble bestemte at avstanden fra Jorden til Andromeda var minst tre ganger diameteren til Melkeveien (faktisk omtrent 20 ganger) og at M33, en annen tåke fra Messier-katalogen, ikke var mindre avstand fra oss. Disse resultatene markerte begynnelsen på en ny vitenskapelig disiplin - galaktisk astronomi.

I 1926 foreslo den berømte amerikanske astronomen Edwin Powell Hubble (og i 1936 moderniserte) sin klassifisering av galakser etter deres morfologi. På grunn av sin karakteristiske form, kalles denne klassifiseringen også "Hubble Tuning Fork".

På "stammen" til stemmegaffelen er det elliptiske galakser, på gaffelens uttak - linseformede galakser uten ermer og spiralgalakser uten stangbro og med stang. Galakser som ikke kan klassifiseres som en av de listede klassene kalles irregulære eller irregulære.

Dverger og kjemper

Universet er fylt med galakser av ulik størrelse og masse. Antallet deres er kjent veldig omtrentlig. I 2004 oppdaget Hubble-teleskopet rundt 10 000 galakser på tre og en halv måned, og skannet i den sørlige konstellasjonen Fornax et område av himmelen som er hundre ganger mindre enn måneskivens område.

Hvis vi antar at galakser er fordelt over himmelsfæren med samme tetthet, viser det seg at det er 200 milliarder i det observerte rommet. Dette anslaget er imidlertid sterkt undervurdert, siden teleskopet ikke var i stand til å legge merke til veldig mange veldig svake galakser.

Form og innhold

Galakser er også forskjellige i morfologi (det vil si i form). Generelt er de delt inn i tre hovedklasser - skiveformet, elliptisk og uregelmessig (uregelmessig). Dette er en generell klassifisering, det er mye mer detaljerte.

Galakser er slett ikke tilfeldig fordelt i verdensrommet. Massive galakser er ofte omgitt av små satellittgalakser. Både Melkeveien vår og nabolandet Andromeda har minst 14 satellitter, og mest sannsynlig er det mange flere. Galakser elsker å forene seg i par, trillinger og større grupper av dusinvis av gravitasjonsbundne partnere.

De større assosiasjonene, galaktiske klynger, inneholder hundrevis og tusenvis av galakser (den første av slike klynger ble oppdaget av Messier). Noen ganger observeres en spesielt lys gigantisk galakse i sentrum av klyngen, som antas å ha oppstått under sammenslåingen av mindre galakser.

Og til slutt er det også superklynger, som inkluderer både galaktiske klynger og grupper, og individuelle galakser. Vanligvis er disse langstrakte strukturer opptil hundrevis av megaparsek lange. De er atskilt av nesten helt galaksefrie romrom av samme størrelse.

Superklynger er ikke lenger organisert i noen strukturer av høyere orden og er spredt over hele kosmos på en tilfeldig måte. Av denne grunn, på en skala på flere hundre megaparsek, er universet vårt homogent og isotropt.

En skiveformet galakse er en stjernepannekake som kretser rundt en akse som går gjennom dens geometriske sentrum. Vanligvis på begge sider av den sentrale sonen av pannekaken er det en oval bule (fra den engelske bulen). Bulen roterer også, men med lavere vinkelhastighet enn skiven. I skivens plan observeres ofte spiralgrener, som florerer av relativt unge lyse armaturer. Det finnes imidlertid galaktiske skiver uten spiralstruktur, hvor det er mange færre slike stjerner.

Den sentrale sonen til en skiveformet galakse kan kuttes av en stjernestang - en stang. Plassen inne i skiven er fylt med et gass- og støvmedium - kildematerialet for nye stjerner og planetsystemer. Galaksen har to skiver: stjerne og gass.

De er omgitt av en galaktisk glorie - en sfærisk sky av fortært varm gass og mørk materie, som utgjør hovedbidraget til galaksens totale masse. Haloen inneholder også individuelle gamle stjerner og kulestjernehoper (kulehoper) opptil 13 milliarder år gamle. I sentrum av nesten hvilken som helst skiveformet galakse, med eller uten en bule, er det et supermassivt sort hull. De største galaksene av denne typen inneholder 500 milliarder stjerner hver.

Melkeveien

Solen kretser rundt midten av en ganske vanlig spiralgalakse, som inkluderer 200-400 milliarder stjerner. Diameteren er omtrent 28 kiloparsecs (litt over 90 lysår). Radiusen til solens intragalaktiske bane er 8,5 kiloparsecs (slik at stjernen vår er forskjøvet til ytterkanten av den galaktiske skiven), tiden for en fullstendig revolusjon rundt sentrum av galaksen er omtrent 250 millioner år.

Melkeveiens bule er elliptisk i form og har en bar som nylig ble oppdaget. I midten av bulen er en kompakt kjerne fylt med stjerner i ulike aldre – fra flere millioner år til en milliard og eldre. Inne i kjernen, bak tette støvete skyer, ligger et ganske beskjedent sort hull etter galaktiske standarder - bare 3,7 millioner solmasser.

Galaksen vår har en dobbel stjerneskive. Den indre skiven, som ikke har mer enn 500 parsecs vertikalt, står for 95 % av stjernene i skivesonen, inkludert alle unge klare stjerner. Den er omgitt av en ytre skive som er 1500 parsek tykk, der eldre stjerner bor. Den gassformige (mer presist, gass-støv) skiven til Melkeveien er minst 3,5 kiloparsecs tykk. De fire spiralarmene på skiven er områder med økt tetthet av gass-støvmediet og inneholder de fleste av de mest massive stjernene.

Diameteren på Melkeveiens halo er minst dobbelt så stor som skivens diameter. Rundt 150 kulehoper er oppdaget der, og mest sannsynlig er rundt femti flere ennå ikke oppdaget. De eldste klyngene er over 13 milliarder år gamle. Haloen er fylt med mørk materie med en klumpete struktur.

Inntil nylig ble det antatt at haloen er nesten sfærisk, men ifølge de siste dataene kan den bli betydelig flatet ut. Den totale massen til galaksen kan være opptil 3 billioner solmasser, med mørk materie som utgjør 90-95 %. Massen av stjerner i Melkeveien er estimert til 90-100 milliarder ganger solens masse.

En elliptisk galakse, som navnet antyder, er ellipseformet. Den roterer ikke som en helhet og har derfor ikke aksial symmetri. Dens stjerner, som for det meste har en relativt lav masse og betydelig alder, kretser rundt det galaktiske sentrum i forskjellige plan og noen ganger ikke individuelt, men i svært langstrakte kjeder.

Nye armaturer i elliptiske galakser lyser sjelden opp på grunn av mangel på råvarer – molekylært hydrogen.

I likhet med mennesker er galakser gruppert sammen. Vår lokale gruppe inkluderer de to største galaksene i nærheten av omtrent 3 megaparsek - Melkeveien og Andromeda (M31), Triangulum-galaksen, samt deres satellitter - de store og små magellanske skyene, dverggalaksene i Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix og mange andre - totalt rundt femti. Den lokale gruppen er på sin side medlem av den lokale Jomfru-superklyngen.

Både de største og de minste galaksene er av den elliptiske typen. Den totale andelen av dets representanter i den galaktiske befolkningen i universet er bare rundt 20%. Disse galaksene (med mulig unntak av de minste og svakeste) skjuler også supermassive sorte hull i sine sentrale soner. Elliptiske galakser har også glorier, men ikke like klare som de for skiveformede galakser.

Alle andre galakser anses som uregelmessige. De inneholder mye støv og gass og produserer aktivt unge stjerner. Det er få slike galakser i moderate avstander fra Melkeveien, bare 3 %.

Men blant objekter med stor rødforskyvning, hvis lys ble sendt ut senest 3 milliarder år etter Big Bang, øker deres andel kraftig. Tilsynelatende var alle stjernesystemer av den første generasjonen små og hadde uregelmessige konturer, og store skiveformede og elliptiske galakser oppsto mye senere.

Fødsel av galakser

Galakser ble født like etter stjerner. Det antas at de første armaturene blinket senest 150 millioner år etter Big Bang. I januar 2011 rapporterte et team av astronomer som behandlet informasjon fra Hubble-romteleskopet den sannsynlige observasjonen av en galakse hvis lys gikk ut i verdensrommet 480 millioner år etter Big Bang.

I april oppdaget et annet forskerteam en galakse som etter all sannsynlighet allerede var ferdigdannet da det unge universet var omtrent 200 millioner år gammelt.

Betingelsene for fødselen av stjerner og galakser oppsto lenge før den begynte. Da universet passerte 400 000 år, ble plasma i verdensrommet erstattet av en blanding av nøytralt helium og hydrogen. Denne gassen var fortsatt for varm til å smelte sammen i molekylskyene som gir opphav til stjerner.

Imidlertid var den ved siden av partikler av mørk materie, opprinnelig fordelt i rommet ikke helt jevnt - der det er litt tettere, hvor det er mer sjeldent. De samhandlet ikke med den baryoniske gassen og kollapset derfor, under påvirkning av gjensidig tiltrekning, fritt inn i soner med økt tetthet.

Ifølge modellberegninger ble det i løpet av hundre millioner år etter Big Bang dannet skyer av mørk materie på størrelse med det nåværende solsystemet i verdensrommet. De kom sammen til større strukturer, til tross for utvidelsen av plass. Slik oppsto klyngene av mørk materieskyer, og deretter klyngene til disse klyngene. De sugde inn romgass, slik at den kunne tykne og kollapse.

På denne måten dukket de første supermassive stjernene opp, som raskt eksploderte til supernovaer og etterlot seg sorte hull. Disse eksplosjonene beriket verdensrommet med elementer tyngre enn helium, noe som bidro til å avkjøle de kollapsende gasskyene og derfor muliggjorde utseendet til mindre massive andregenerasjonsstjerner.

Slike stjerner kunne allerede eksistere i milliarder av år og var derfor i stand til å danne (igjen ved hjelp av mørk materie) gravitasjonsbundne systemer. Slik oppsto langlivede galakser, inkludert vår.

"Mange av detaljene i galaktogenesen er fortsatt skjult i tåken," sier John Kormendy. – Spesielt gjelder dette rollen som sorte hull. Massene deres varierer fra titusenvis av solmasser til den nåværende absolutte rekorden på 6,6 milliarder solmasser, som tilhører et svart hull fra kjernen av den elliptiske galaksen M87, som ligger 53,5 millioner lysår fra Solen.

Hull i sentrum av elliptiske galakser er vanligvis omgitt av buler som består av gamle stjerner. Spiralgalakser har kanskje ingen buler i det hele tatt eller har sine flate likheter, pseudo-buler. Massen til et sort hull er vanligvis tre størrelsesordener mindre enn massen til bulen - naturligvis, hvis den er tilstede. Dette mønsteret bekreftes av observasjoner som dekker hull med en masse fra en million til en milliard solmasser."

I følge professor Kormendy får galaktiske sorte hull masse på to måter. Hullet, omgitt av en fullverdig bule, vokser på grunn av absorpsjon av gass som kommer til bulen fra galaksens ytre sone. Under sammenslåingen av galakser øker intensiteten av tilstrømningen av denne gassen kraftig, noe som setter i gang utbrudd av kvasarer.

Som et resultat utvikler buler og hull seg parallelt, noe som forklarer korrelasjonen mellom massene deres (men andre, ennå ukjente mekanismer kan også fungere).

Forskere fra University of Pittsburgh, UC Irvine og Atlantic University of Florida har modellert kollisjonen mellom Melkeveien og forgjengeren til Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy (SagDEG) i Skytten.

De analyserte to alternativer for kollisjoner - med en lett (3x10¹⁰solmasser) og tunge (10¹¹ solmasser) SagDEG. Figuren viser resultatene av 2,7 milliarder års evolusjon av Melkeveien uten interaksjon med en dverggalakse og med interaksjon med den lette og tunge varianten av SagDEG.

Skallete galakser og galakser med pseudo-buler er en annen sak. Massene til hullene deres overstiger vanligvis ikke 104-106 solmasser. Ifølge professor Kormendy blir de matet med gass på grunn av tilfeldige prosesser som skjer nær hullet, og strekker seg ikke over hele galaksen. Et slikt hull vokser uavhengig av utviklingen av galaksen eller dens pseudo-bule, noe som forklarer mangelen på korrelasjon mellom massene deres.

Voksende galakser

Galakser kan øke både i størrelse og masse. "I den fjerne fortiden gjorde galakser dette mye mer effektivt enn i nyere kosmologiske epoker," forklarer Garth Illingworth, professor i astronomi og astrofysikk ved University of California, Santa Cruz. - Fødselshastigheten til nye stjerner er estimert i form av den årlige produksjonen av en enhetsmasse av stjernestoff (i denne kapasiteten, massen til solen) per volumenhet av det ytre rom (vanligvis en kubikk megaparsek).

På tidspunktet for dannelsen av de første galaksene var dette tallet veldig lite, og begynte deretter å vokse raskt, noe som fortsatte til universet var 2 milliarder år gammelt. I ytterligere 3 milliarder år var den relativt konstant, så begynte den å avta nesten proporsjonalt med tiden, og denne nedgangen fortsetter til i dag. Så for 7-8 milliarder år siden var gjennomsnittshastigheten for stjernedannelse 10-20 ganger høyere enn den nåværende. De fleste observerbare galakser var allerede fullstendig dannet i den fjerne epoken."

Figuren viser resultatene av evolusjon til forskjellige tider - den innledende konfigurasjonen (a), etter 0, 9 (b), 1, 8 © og 2, 65 milliarder år (d). I følge modellberegninger kunne Melkeveiens stang og spiralarmer ha blitt dannet som følge av kollisjoner med SagDEG, som i utgangspunktet trakk 50-100 milliarder solmasser.

To ganger passerte den gjennom disken til galaksen vår og mistet noe av materien (både vanlig og mørk), noe som forårsaket forstyrrelser i strukturen. Den nåværende massen til SagDEG overstiger ikke titalls millioner solmasser, og neste kollisjon, som forventes senest 100 millioner år senere, vil mest sannsynlig være den siste for den.

Generelt sett er denne trenden forståelig. Galakser vokser på to hovedmåter. Først får de friskt stjerneskuddmateriale ved å trekke inn gass- og støvpartikler fra det omkringliggende rommet. I flere milliarder år etter Big Bang fungerte denne mekanismen som den skal, rett og slett fordi det var nok stjerneråmateriale i verdensrommet for alle.

Så, når reservene var oppbrukt, falt antallet stjerners fødsel. Imidlertid har galakser funnet evnen til å øke den gjennom kollisjoner og sammenslåinger. Riktignok må de kolliderende galaksene ha en anstendig tilførsel av interstellært hydrogen for å realiseres. For store elliptiske galakser, der den praktisk talt er borte, hjelper ikke sammenslåing, men i diskoide og uregelmessige galakser fungerer det.

Kollisjonskurs

La oss se hva som skjer når to omtrent identiske galakser av skivetypen smelter sammen. Stjernene deres kolliderer nesten aldri – avstandene mellom dem er for store. Imidlertid opplever gassskiven til hver galakse tidevannskrefter på grunn av tyngdekraften til naboen. Det baryoniske stoffet på skiven mister en del av vinkelmomentet og skifter til sentrum av galaksen, hvor det oppstår forhold for en eksplosiv vekst i stjernedannelseshastigheten.

Noe av dette stoffet absorberes av sorte hull, som også får masse. I sluttfasen av foreningen av galakser smelter sorte hull sammen, og stjerneskivene til begge galaksene mister sin tidligere struktur og blir spredt i verdensrommet. Som et resultat er en elliptisk formet av et par spiralgalakser. Men dette er på ingen måte det komplette bildet. Stråling fra unge klare stjerner kan blåse noe av hydrogenet ut av den nyfødte galaksen.

Samtidig tvinger den aktive akkresjonen av gass til det sorte hullet sistnevnte fra tid til annen til å skyte stråler av enorme energipartikler ut i rommet, varme opp gass i hele galaksen og dermed forhindre dannelsen av nye stjerner. Galaksen stilner gradvis - mest sannsynlig for alltid.

Galakser av forskjellige størrelser kolliderer forskjellig. En stor galakse er i stand til å svelge en dverggalakse (på en gang eller i flere trinn) og samtidig bevare sin egen struktur. Denne galaktiske kannibalismen kan også stimulere stjernedannelse.

Dverggalaksen er fullstendig ødelagt, og etterlater seg kjeder av stjerner og stråler av kosmisk gass, som er observert både i vår galakse og i nabolandet Andromeda. Hvis en av de kolliderende galaksene ikke er for overlegen den andre, er enda mer interessante effekter mulig.

Venter på superteleskopet

Galaktisk astronomi overlevde nesten et århundre. Hun startet praktisk talt fra bunnen av og oppnådde mye. Imidlertid er antallet uløste problemer svært stort. Forskere forventer mye av James Webb Infrared Orbiting Telescope, som skulle lanseres i 2021.