Život galaxií a história ich štúdia

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

História štúdia planét a hviezd sa meria v tisícročiach, Slnko, kométy, asteroidy a meteority - v storočiach. Ale galaxie, rozptýlené po celom vesmíre, zhluky hviezd, kozmický plyn a prachové častice, sa stali predmetom vedeckého výskumu až v 20. rokoch 20. storočia.

Galaxie boli pozorované od nepamäti. Človek s ostrým zrakom dokáže na nočnej oblohe rozlíšiť svetlé škvrny, podobné kvapkám mlieka. V 10. storočí sa perzský astronóm Abd-al-Raman al-Sufi zmienil vo svojej Knihe pevných hviezd o dvoch podobných miestach, teraz známych ako Veľký Magellanov mrak a galaxiu M31, známu ako Andromeda.

S príchodom ďalekohľadov astronómovia pozorovali čoraz viac týchto objektov, nazývaných hmloviny. Ak anglický astronóm Edmund Halley uviedol v roku 1716 len šesť hmlovín, potom katalóg vydaný v roku 1784 francúzskym námorným astronómom Charlesom Messierom ich už obsahoval 110 – a medzi nimi štyri desiatky skutočných galaxií (vrátane M31).

V roku 1802 William Herschel zverejnil zoznam 2 500 hmlovín a jeho syn John v roku 1864 katalóg viac ako 5 000 hmlovín.

Náš najbližší sused, galaxia Andromeda (M31), je jedným z obľúbených nebeských objektov pre amatérske astronomické pozorovania a fotografovanie.

Povaha týchto predmetov dlho unikala pochopeniu. V polovici 18. storočia v nich niektoré bystré mysle videli hviezdne systémy podobné Mliečnej dráhe, no teleskopy v tom čase neposkytovali príležitosť túto hypotézu otestovať.

O storočie neskôr prevládol názor, že každá hmlovina je oblak plynu osvetlený zvnútra mladou hviezdou. Neskôr boli astronómovia presvedčení, že niektoré hmloviny vrátane Andromedy obsahujú veľa hviezd, no dlho nebolo jasné, či sa nachádzajú v našej Galaxii alebo mimo nej.

Až v rokoch 1923-1924 Edwin Hubble zistil, že vzdialenosť zo Zeme do Andromedy je najmenej trojnásobkom priemeru Mliečnej dráhy (v skutočnosti asi 20-krát) a že M33, ďalšia hmlovina z Messierovho katalógu, nie je menej vzdialený od nás.vzdialenosť. Tieto výsledky znamenali začiatok novej vednej disciplíny – galaktickej astronómie.

V roku 1926 slávny americký astronóm Edwin Powell Hubble navrhol (a v roku 1936 zmodernizoval) svoju klasifikáciu galaxií podľa ich morfológie. Pre svoj charakteristický tvar sa táto klasifikácia nazýva aj „Hubble Tuning Fork“.

Na „stopke“ladičky sú eliptické galaxie, na hrotoch vidlice šošovkovité galaxie bez rukávov a špirálové galaxie bez tyčového mostíka a s tyčou. Galaxie, ktoré nemožno zaradiť do jednej z uvedených tried, sa nazývajú nepravidelné alebo nepravidelné.

Trpaslíci a obri

Vesmír je plný galaxií rôznych veľkostí a hmotností. Ich počet je známy veľmi približne. V roku 2004 objavil Hubbleov teleskop okolo 10 000 galaxií za tri a pol mesiaca, pričom skenoval v južnom súhvezdí Fornax oblasť oblohy, ktorá je stokrát menšia ako plocha mesačného disku.

Ak predpokladáme, že galaxie sú rozmiestnené po nebeskej sfére s rovnakou hustotou, ukáže sa, že v pozorovanom priestore ich je 200 miliárd. Tento odhad je však značne podhodnotený, keďže ďalekohľad nedokázal zaznamenať veľké množstvo veľmi slabých galaxií..

Forma a obsah

Galaxie sa líšia aj morfológiou (teda tvarom). Vo všeobecnosti sú rozdelené do troch hlavných tried - diskovité, eliptické a nepravidelné (nepravidelné). Toto je všeobecná klasifikácia, existujú oveľa podrobnejšie.

Galaxie nie sú vo vesmíre rozmiestnené náhodne. Masívne galaxie sú často obklopené malými satelitnými galaxiami. Naša Mliečna dráha aj susedná Andromeda majú najmenej 14 satelitov a s najväčšou pravdepodobnosťou je ich oveľa viac. Galaxie sa radi spájajú do párov, trojíc a väčších skupín desiatok gravitačne viazaných partnerov.

Väčšie asociácie, galaktické kopy, obsahujú stovky a tisíce galaxií (prvú z takýchto kopy objavil Messier). Občas je v strede zhluku pozorovaná obzvlášť jasná obria galaxia, o ktorej sa predpokladá, že vznikla pri zlučovaní menších galaxií.

A napokon sú tu aj superkopy, ktoré zahŕňajú ako galaktické kopy a skupiny, tak aj jednotlivé galaxie. Zvyčajne ide o predĺžené štruktúry s dĺžkou až stoviek megaparsekov. Sú oddelené takmer úplne bez galaxií priestorovými dutinami rovnakej veľkosti.

Superklastre už nie sú organizované do žiadnych štruktúr vyššieho rádu a sú rozptýlené po celom Kozme náhodným spôsobom. Z tohto dôvodu je náš vesmír v rozsahu niekoľkých stoviek megaparsekov homogénny a izotropný.

Galaxia v tvare disku je hviezdna placka otáčajúca sa okolo osi prechádzajúcej jej geometrickým stredom. Zvyčajne na oboch stranách centrálnej zóny palacinky je oválna vydutina (z anglického vydutia). Vydutina sa tiež otáča, ale s nižšou uhlovou rýchlosťou ako disk. V rovine disku sú často pozorované špirálové vetvy oplývajúce relatívne mladými jasnými svietidlami. Existujú však galaktické disky bez špirálovej štruktúry, kde je takýchto hviezd oveľa menej.

Centrálna zóna galaxie v tvare disku môže byť prerezaná hviezdnou priečkou - priečkou. Priestor vo vnútri disku je vyplnený plynným a prachovým médiom - zdrojovým materiálom pre nové hviezdy a planetárne systémy. Galaxia má dva disky: hviezdny a plynný.

Obklopuje ich galaktické halo - sférický oblak riedeného horúceho plynu a tmavej hmoty, ktorý tvorí hlavný podiel na celkovej hmotnosti galaxie. Halo obsahuje aj jednotlivé staré hviezdy a guľové hviezdokopy (guľové hviezdokopy) staré až 13 miliárd rokov. V strede takmer každej galaxie v tvare disku, s vydutím alebo bez neho, sa nachádza supermasívna čierna diera. Najväčšie galaxie tohto typu obsahujú 500 miliárd hviezd.

mliečna dráha

Slnko sa točí okolo stredu celkom obyčajnej špirálovej galaxie, ktorá zahŕňa 200-400 miliárd hviezd. Jeho priemer je približne 28 kiloparsekov (niečo viac ako 90 svetelných rokov). Polomer slnečnej vnútrogalaktickej dráhy je 8,5 kiloparsekov (aby bola naša hviezda posunutá k vonkajšiemu okraju galaktického disku), čas úplnej revolúcie okolo stredu Galaxie je asi 250 miliónov rokov.

Vydutie Mliečnej dráhy má elipsovitý tvar a má lištu, ktorá bola nedávno objavená. V strede vydutiny je kompaktné jadro vyplnené hviezdami rôzneho veku – od niekoľkých miliónov rokov až po miliardu a viac. Vo vnútri jadra, za hustými prašnými mrakmi, leží na galaktické pomery pomerne skromná čierna diera – len 3,7 milióna hmotností Slnka.

Naša Galaxia sa môže pochváliť dvojitým hviezdnym diskom. Vnútorný disk, ktorý má vertikálne nie viac ako 500 parsekov, predstavuje 95 % hviezd v zóne disku, vrátane všetkých mladých jasných hviezd. Je obklopený vonkajším diskom s hrúbkou 1 500 parsekov, kde žijú staršie hviezdy. Plynný (presnejšie plynno-prachový) disk Mliečnej dráhy má hrúbku najmenej 3,5 kiloparseku. Štyri špirálové ramená disku sú oblasťami so zvýšenou hustotou plynno-prachového média a obsahujú väčšinu najhmotnejších hviezd.

Priemer halo Mliečnej dráhy je najmenej dvojnásobkom priemeru disku. Bolo tam objavených asi 150 guľových hviezdokôp a s najväčšou pravdepodobnosťou asi päťdesiat ďalších ešte nebolo objavených. Najstaršie zhluky majú viac ako 13 miliárd rokov. Halo je vyplnené tmavou hmotou s hrudkovitou štruktúrou.

Až donedávna sa verilo, že halo má takmer guľový tvar, no podľa najnovších údajov môže byť výrazne sploštené. Celková hmotnosť Galaxie môže byť až 3 bilióny hmotností Slnka, pričom temná hmota predstavuje 90 – 95 %. Hmotnosť hviezd v Mliečnej dráhe sa odhaduje na 90-100 miliárd násobok hmotnosti Slnka.

Eliptická galaxia, ako jej názov napovedá, je elipsoidná. Neotáča sa ako celok a preto nemá osovú symetriu. Jeho hviezdy, ktoré majú väčšinou relatívne nízku hmotnosť a značný vek, sa točia okolo galaktického centra v rôznych rovinách a niekedy nie jednotlivo, ale vo vysoko predĺžených reťazcoch.

Nové svietidlá v eliptických galaxiách sa zriedka rozsvietia kvôli nedostatku surovín - molekulárneho vodíka.

Tak ako ľudia, aj galaxie sú zoskupené. Naša Miestna skupina zahŕňa dve najväčšie galaxie v okolí asi 3 megaparsekov - Mliečnu dráhu a Andromedu (M31), galaxiu Triangulum, ako aj ich satelity - Veľké a Malé Magellanove mračná, trpasličie galaxie v Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix a mnoho ďalších – spolu asi päťdesiat. Miestna skupina je zasa členom miestneho superklastra Panny.

Najväčšie aj najmenšie galaxie sú eliptického typu. Celkový podiel jeho zástupcov v galaktickej populácii Vesmíru je len asi 20%. Tieto galaxie (možno s výnimkou tých najmenších a najslabších) ukrývajú vo svojich centrálnych zónach aj supermasívne čierne diery. Eliptické galaxie majú tiež halo, ale nie také jasné ako galaxie v tvare disku.

Všetky ostatné galaxie sa považujú za nepravidelné. Obsahujú veľa prachu a plynu a aktívne produkujú mladé hviezdy. V stredných vzdialenostiach od Mliečnej dráhy je takýchto galaxií len málo, iba 3 %.

Medzi objektmi s veľkým červeným posunom, ktorých svetlo bolo vyžiarené najneskôr 3 miliardy rokov po veľkom tresku, však ich podiel prudko narastá. Všetky hviezdne systémy prvej generácie boli zrejme malé a mali nepravidelné obrysy a veľké diskovité a eliptické galaxie vznikli oveľa neskôr.

Zrodenie galaxií

Galaxie sa zrodili krátko po hviezdach. Predpokladá sa, že prvé svietidlá zažiarili najneskôr 150 miliónov rokov po Veľkom tresku. V januári 2011 tím astronómov spracovávajúcich informácie z Hubbleovho vesmírneho teleskopu ohlásil pravdepodobné pozorovanie galaxie, ktorej svetlo sa dostalo do vesmíru 480 miliónov rokov po Veľkom tresku.

V apríli ďalší výskumný tím objavil galaxiu, ktorá bola s najväčšou pravdepodobnosťou úplne vytvorená, keď mal mladý vesmír asi 200 miliónov rokov.

Podmienky pre zrod hviezd a galaxií vznikli dávno pred jeho začiatkom. Keď vesmír prekročil hranicu 400 000 rokov, plazmu vo vesmíre nahradila zmes neutrálneho hélia a vodíka. Tento plyn bol stále príliš horúci na to, aby sa zlúčil do molekulárnych oblakov, z ktorých vznikajú hviezdy.

Susedila však s časticami tmavej hmoty, spočiatku rozmiestnenými v priestore nie celkom rovnomerne – kde je trochu hustejšia, kde je vzácnejšia. Neinteragovali s baryónovým plynom, a preto sa pôsobením vzájomnej príťažlivosti voľne zrútili do zón so zvýšenou hustotou.

Podľa modelových výpočtov sa do sto miliónov rokov po veľkom tresku vo vesmíre vytvorili oblaky tmavej hmoty veľkosti súčasnej slnečnej sústavy. Spojili sa do väčších štruktúr, napriek rozšíreniu priestoru. Takto vznikli zhluky oblakov tmavej hmoty a potom zhluky týchto zhlukov. Nasávali vesmírny plyn, vďaka čomu mohol zhustnúť a zrútiť sa.

Takto sa objavili prvé supermasívne hviezdy, ktoré rýchlo explodovali na supernovy a zanechali za sebou čierne diery. Tieto explózie obohatili priestor o prvky ťažšie ako hélium, čo pomohlo ochladzovať kolabujúce oblaky plynu, a preto umožnili objavenie sa menej hmotných hviezd druhej generácie.

Takéto hviezdy už mohli existovať miliardy rokov a preto boli schopné vytvárať (opäť s pomocou tmavej hmoty) gravitačne viazané systémy. Takto vznikli dlhoveké galaxie, vrátane našej.

„Mnoho detailov galaktogenézy je stále skrytých v hmle,“hovorí John Kormendy. - Týka sa to najmä úlohy čiernych dier. Ich hmotnosti sa pohybujú od desiatok tisíc hmotností Slnka až po súčasný absolútny rekord 6,6 miliardy hmotností Slnka, ktorý patrí čiernej diere z jadra eliptickej galaxie M87, ktorá sa nachádza 53,5 milióna svetelných rokov od Slnka.

Diery v centrách eliptických galaxií sú zvyčajne obklopené vydutinami vytvorenými zo starých hviezd. Špirálové galaxie nemusia mať vôbec žiadne vydutiny alebo majú svoje ploché podobnosti, pseudovydutiny. Hmotnosť čiernej diery je zvyčajne o tri rády menšia ako hmotnosť vydutia – prirodzene, ak je prítomná. Tento vzor potvrdzujú pozorovania pokrývajúce diery s hmotnosťou od milióna do miliardy hmotností Slnka.

Podľa profesora Kormendyho získavajú galaktické čierne diery hmotnosť dvoma spôsobmi. Diera obklopená plnohodnotnou vydutinou sa zväčšuje vďaka pohlcovaniu plynu, ktorý do vydutiny prichádza z vonkajšej zóny galaxie. Počas splynutia galaxií sa intenzita prílevu tohto plynu prudko zvyšuje, čo iniciuje výbuchy kvazarov.

V dôsledku toho sa vydutia a diery vyvíjajú paralelne, čo vysvetľuje koreláciu medzi ich hmotnosťami (môžu však fungovať aj iné, zatiaľ neznáme mechanizmy).

Výskumníci z University of Pittsburgh, UC Irvine a Atlantic University of Florida modelovali zrážku Mliečnej dráhy a predchodcu trpasličej eliptickej galaxie Strelca (SagDEG) v Strelcovi.

Analyzovali dve možnosti kolízie - s ľahkou (3x10¹⁰slnečné hmoty) a ťažké (10¹¹ hmotnosti Slnka) SagDEG. Obrázok ukazuje výsledky 2,7 miliardy rokov vývoja Mliečnej dráhy bez interakcie s trpasličou galaxiou a s interakciou s ľahkým a ťažkým variantom SagDEG.

Galaxie bez plešatosti a galaxie s pseudovydutinami sú iná záležitosť. Hmotnosti ich otvorov zvyčajne nepresahujú 104-106 hmotností Slnka. Podľa profesora Kormendyho sú napájané plynom v dôsledku náhodných procesov, ktoré sa vyskytujú v blízkosti diery a nerozširujú sa po celej galaxii. Takáto diera rastie bez ohľadu na vývoj galaxie alebo jej pseudovydutiny, čo vysvetľuje nedostatok korelácie medzi ich hmotnosťami.

Rastúce galaxie

Galaxie môžu zväčšiť veľkosť aj hmotnosť. „V dávnej minulosti to galaxie robili oveľa efektívnejšie ako v nedávnych kozmologických érach,“vysvetľuje Garth Illingworth, profesor astronómie a astrofyziky na Kalifornskej univerzite v Santa Cruz. - Rýchlosť zrodu nových hviezd sa odhaduje ako ročná produkcia jednotkovej hmotnosti hviezdnej hmoty (v tejto kapacite hmotnosť Slnka) na jednotku objemu kozmického priestoru (zvyčajne kubický megaparsek).

V čase vzniku prvých galaxií bolo toto číslo veľmi malé a potom začalo rýchlo rásť, čo pokračovalo až do veku 2 miliárd rokov. Ďalšie 3 miliardy rokov bol relatívne konštantný, potom začal klesať takmer úmerne času a tento pokles trvá dodnes. Takže pred 7-8 miliardami rokov bola priemerná rýchlosť tvorby hviezd 10-20 krát vyššia ako súčasná. Väčšina pozorovateľných galaxií už bola úplne vytvorená v tej vzdialenej epoche."

Obrázok ukazuje výsledky evolúcie v rôznych časoch - počiatočná konfigurácia (a), po 0, 9 (b), 1, 8 © a 2, 65 miliardách rokov (d). Podľa modelových výpočtov sa tyčové a špirálové ramená Mliečnej dráhy mohli sformovať v dôsledku zrážok so SagDEG, ktoré spočiatku ťahali 50-100 miliárd slnečných hmôt.

Dvakrát prešiel cez disk našej Galaxie a stratil časť svojej hmoty (obyčajnej aj tmavej), čo spôsobilo poruchy jej štruktúry. Súčasná hmotnosť SagDEG nepresahuje desiatky miliónov hmotností Slnka a najbližšia zrážka, ktorá sa očakáva najneskôr o 100 miliónov rokov neskôr, bude pre ňu s najväčšou pravdepodobnosťou posledná.

Vo všeobecnosti je tento trend pochopiteľný. Galaxie rastú dvoma hlavnými spôsobmi. Najprv získavajú čerstvý materiál z hviezd nasávaním častíc plynu a prachu z okolitého priestoru. Niekoľko miliárd rokov po Veľkom tresku tento mechanizmus správne fungoval jednoducho preto, že vo vesmíre bolo dostatok hviezdnej suroviny pre každého.

Potom, keď boli rezervy vyčerpané, miera hviezdneho pôrodu klesla. Galaxie však našli schopnosť zvýšiť ho kolíziami a fúziami. Je pravda, že na to, aby sa táto možnosť realizovala, musia mať zrážajúce sa galaxie slušnú zásobu medzihviezdneho vodíka. Veľkým eliptickým galaxiám, kde je prakticky preč, spájanie nepomáha, ale v diskovitých a nepravidelných galaxiách to funguje.

Kolízny kurz

Pozrime sa, čo sa stane, keď sa spoja dve približne rovnaké galaxie diskového typu. Ich hviezdy sa takmer nikdy nezrazia - vzdialenosti medzi nimi sú príliš veľké. Avšak plynný disk každej galaxie zažíva slapové sily v dôsledku gravitácie svojho suseda. Baryonická hmota disku stráca časť momentu hybnosti a posúva sa do stredu galaxie, kde vznikajú podmienky pre explozívny rast rýchlosti tvorby hviezd.

Časť tejto látky je absorbovaná čiernymi dierami, ktoré tiež získavajú hmotnosť. V záverečnej fáze zjednocovania galaxií sa čierne diery spájajú a hviezdne disky oboch galaxií strácajú svoju bývalú štruktúru a sú rozptýlené vo vesmíre. Výsledkom je, že z dvojice špirálových galaxií vzniká jedna eliptická. To však v žiadnom prípade nie je úplný obraz. Žiarenie z mladých jasných hviezd môže vyhodiť časť vodíka z novonarodenej galaxie.

Aktívne pribúdanie plynu na čiernu dieru zároveň núti túto z času na čas vystreliť do vesmíru výtrysky obrovských energetických častíc, ktoré zohrievajú plyn v celej galaxii a bránia tak vzniku nových hviezd. Galaxia sa postupne utíši - s najväčšou pravdepodobnosťou navždy.

Galaxie rôznych veľkostí sa zrážajú rôzne. Veľká galaxia je schopná pohltiť trpasličiu galaxiu (naraz alebo v niekoľkých krokoch) a zároveň si zachovať svoju vlastnú štruktúru. Tento galaktický kanibalizmus môže tiež stimulovať tvorbu hviezd.

Trpasličia galaxia je úplne zničená a zanecháva za sebou reťazce hviezd a výtrysky kozmického plynu, ktoré možno pozorovať v našej Galaxii aj v susednej Andromede. Ak jedna zo zrážaných galaxií nie je príliš nadradená druhej, sú možné ešte zaujímavejšie efekty.

Čakanie na super teleskop

Galaktická astronómia prežila takmer storočie. Začínala prakticky od nuly a dosiahla veľa. Počet nevyriešených problémov je však veľmi veľký. Vedci očakávajú veľa od infračerveného obežného teleskopu Jamesa Webba, ktorý sa mal spustiť v roku 2021.