Viața galaxiilor și istoria studiului lor

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Istoria studiului planetelor și stelelor se măsoară în milenii, Soarele, cometele, asteroizii și meteoriții - în secole. Dar galaxiile, împrăștiate în tot Universul, grupuri de stele, gaz cosmic și particule de praf, au devenit obiectul cercetării științifice abia în anii 1920.

Galaxiile au fost observate din timpuri imemoriale. O persoană cu o vedere ascuțită poate distinge pete luminoase pe cerul nopții, similare cu picăturile de lapte. În secolul al X-lea, astronomul persan Abd-al-Raman al-Sufi a menționat în Cartea Stelelor Fixe două puncte similare, cunoscute acum sub numele de Marele Nor Magellanic și galaxia M31, numită Andromeda.

Odată cu apariția telescoapelor, astronomii au observat din ce în ce mai multe dintre aceste obiecte, numite nebuloase. Dacă astronomul englez Edmund Halley a enumerat doar șase nebuloase în 1716, atunci catalogul publicat în 1784 de astronomul naval francez Charles Messier conținea deja 110 - și printre acestea patru duzini de galaxii reale (inclusiv M31).

În 1802, William Herschel a publicat o listă cu 2.500 de nebuloase, iar fiul său John a publicat un catalog cu peste 5.000 de nebuloase în 1864.

Cel mai apropiat vecin al nostru, galaxia Andromeda (M31), este unul dintre obiectele cerești preferate pentru observațiile astronomice și fotografia amatori.

Natura acestor obiecte a scăpat de mult de înțelegere. La mijlocul secolului al XVIII-lea, unele minți cu discernământ au văzut în ele sisteme stelare similare cu Calea Lactee, dar telescoapele de la acea vreme nu au oferit ocazia de a testa această ipoteză.

Un secol mai târziu, a predominat opinia că fiecare nebuloasă este un nor de gaz iluminat din interior de o stea tânără. Mai târziu, astronomii s-au convins că unele nebuloase, inclusiv Andromeda, conțin multe stele, dar pentru o lungă perioadă de timp nu a fost clar dacă sunt situate în Galaxia noastră sau mai departe.

Abia în 1923-1924 Edwin Hubble a stabilit că distanța de la Pământ la Andromeda era de cel puțin trei ori diametrul Căii Lactee (de fapt, de aproximativ 20 de ori) și că M33, o altă nebuloasă din catalogul Messier, nu era mai putin distanta de noi.distanta. Aceste rezultate au marcat începutul unei noi discipline științifice - astronomia galactică.

În 1926, celebrul astronom american Edwin Powell Hubble a propus (și în 1936 a modernizat) clasificarea sa a galaxiilor după morfologia lor. Datorită formei sale caracteristice, această clasificare este numită și „Diapason Hubble”.

Pe „tulpina” diapazonului sunt galaxii eliptice, pe vârfurile furcii - galaxii lenticulare fără mâneci și galaxii spirale fără bară-punte și cu bară. Galaxiile care nu pot fi clasificate ca una dintre clasele enumerate sunt numite neregulate sau neregulate.

Pitici și uriași

Universul este plin de galaxii de diferite dimensiuni și mase. Numărul lor este cunoscut foarte aproximativ. În 2004, telescopul orbital Hubble a descoperit aproximativ 10.000 de galaxii în trei luni și jumătate, scanând în constelația sudică Fornax o regiune a cerului care este de o sută de ori mai mică decât aria discului lunar.

Dacă presupunem că galaxiile sunt distribuite pe sfera cerească cu aceeași densitate, se dovedește că există 200 de miliarde în spațiul observat. Totuși, această estimare este mult subestimată, deoarece telescopul nu a putut observa foarte multe galaxii foarte slabe..

Forma si continutul

Galaxiile diferă și prin morfologie (adică ca formă). În general, ele sunt împărțite în trei clase principale - în formă de disc, eliptice și neregulate (neregulate). Aceasta este o clasificare generală, există altele mult mai detaliate.

Galaxiile nu sunt deloc distribuite aleatoriu în spațiul cosmic. Galaxiile masive sunt adesea înconjurate de mici galaxii satelit. Atât Calea Lactee, cât și Andromeda vecină au cel puțin 14 sateliți și, cel mai probabil, sunt mulți alții. Galaxiilor le place să se unească în perechi, tripleți și grupuri mai mari de zeci de parteneri legați gravitațional.

Asociațiile mai mari, clusterele galactice, conțin sute și mii de galaxii (primul dintre astfel de clustere a fost descoperit de Messier). Uneori, o galaxie gigantică deosebit de strălucitoare este observată în centrul clusterului, despre care se crede că a apărut în timpul fuzionarii galaxiilor mai mici.

Și, în sfârșit, există și superclustere, care includ atât grupuri și grupuri galactice, cât și galaxii individuale. De obicei, acestea sunt structuri alungite de până la sute de megaparsecs în lungime. Ele sunt separate de goluri spațiale aproape complet lipsite de galaxii de aceeași dimensiune.

Superclusterele nu mai sunt organizate în nicio structură de ordin superior și sunt împrăștiate în Cosmos într-un mod aleatoriu. Din acest motiv, pe o scară de câteva sute de megaparsecs, Universul nostru este omogen și izotrop.

O galaxie în formă de disc este o clătită stelară care se rotește în jurul unei axe care trece prin centrul său geometric. De obicei, pe ambele părți ale zonei centrale a clătitei există o umflătură ovală (din engleză bulge). De asemenea, umflarea se rotește, dar cu o viteză unghiulară mai mică decât discul. În planul discului se observă adesea ramuri spiralate, care abundă în corpuri luminoase relativ tinere. Cu toate acestea, există discuri galactice fără structură în spirală, unde există mult mai puține astfel de stele.

Zona centrală a unei galaxii în formă de disc poate fi tăiată de o bară stelară - o bară. Spațiul din interiorul discului este umplut cu un mediu de gaz și praf - materialul sursă pentru noile stele și sisteme planetare. Galaxia are două discuri: stelar și gazos.

Ele sunt înconjurate de un halou galactic - un nor sferic de gaz fierbinte rarefiat și materie întunecată, care aduce principala contribuție la masa totală a galaxiei. Haloul conține, de asemenea, stele vechi individuale și grupuri de stele globulare (clustere globulare) de până la 13 miliarde de ani. În centrul aproape oricărei galaxii în formă de disc, cu sau fără umflătură, există o gaură neagră supermasivă. Cele mai mari galaxii de acest tip conțin fiecare 500 de miliarde de stele.

calea Lactee

Soarele se învârte în jurul centrului unei galaxii spirale destul de obișnuite, care include 200-400 de miliarde de stele. Diametrul său este de aproximativ 28 de kiloparsecs (puțin peste 90 de ani lumină). Raza orbitei intragalactice solare este de 8,5 kiloparsecs (astfel încât steaua noastră să fie deplasată spre marginea exterioară a discului galactic), timpul unei revoluții complete în jurul centrului galaxiei este de aproximativ 250 de milioane de ani.

Bulbul Căii Lactee are formă eliptică și are o bară care a fost descoperită recent. În centrul umflăturii se află un nucleu compact plin de stele de diferite vârste - de la câteva milioane de ani până la un miliard și mai mult. În interiorul nucleului, în spatele norilor denși de praf, se află o gaură neagră destul de modestă conform standardelor galactice - doar 3,7 milioane de mase solare.

Galaxy nostru are un disc stelar dublu. Discul interior, care nu are mai mult de 500 de parsecs pe verticală, reprezintă 95% din stelele din zona discului, inclusiv toate stelele tinere luminoase. Este înconjurat de un disc exterior gros de 1.500 de parsecs, unde trăiesc stelele mai vechi. Discul gazos (mai precis, gaz-praf) al Căii Lactee are o grosime de cel puțin 3,5 kiloparsecs. Cele patru brațe spiralate ale discului sunt regiuni cu densitate crescută a mediului gaz-praf și conțin cele mai multe dintre cele mai masive stele.

Diametrul halou-ului Căii Lactee este de cel puțin două ori diametrul discului. Acolo au fost descoperite aproximativ 150 de clustere globulare și, cel mai probabil, încă aproximativ cincizeci nu au fost încă descoperite. Cele mai vechi clustere au peste 13 miliarde de ani. Haloul este umplut cu materie întunecată cu o structură noduloasă.

Până de curând, se credea că haloul este aproape sferic, cu toate acestea, conform ultimelor date, poate fi aplatizat semnificativ. Masa totală a Galaxiei poate fi de până la 3 trilioane de mase solare, materia întunecată reprezentând 90-95%. Masa stelelor din Calea Lactee este estimată la 90-100 de miliarde de ori masa Soarelui.

O galaxie eliptică, după cum sugerează și numele, este elipsoidală. Nu se rotește în ansamblu și, prin urmare, nu are simetrie axială. Stelele sale, care au în mare parte o masă relativ mică și o vârstă considerabilă, se învârt în jurul centrului galactic în planuri diferite și uneori nu individual, ci în lanțuri foarte alungite.

Noile corpuri de iluminat din galaxiile eliptice se aprind rar din cauza lipsei de materii prime - hidrogenul molecular.

La fel ca oamenii, galaxiile sunt grupate. Grupul nostru local include cele mai mari două galaxii din vecinătatea a aproximativ 3 megaparsecs - Calea Lactee și Andromeda (M31), galaxia Triangulum, precum și sateliții lor - Norii Magellanic Mari și Mici, galaxii pitice din Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix și mulți alții - un total de aproximativ cincizeci. Grupul local, la rândul său, este un membru al superclusterului local Fecioare.

Atât cele mai mari cât și cele mai mici galaxii sunt de tip eliptic. Ponderea totală a reprezentanților săi în populația galactică a Universului este de doar aproximativ 20%. Aceste galaxii (cu posibila excepție a celor mai mici și mai slabe) ascund, de asemenea, găuri negre supermasive în zonele lor centrale. Galaxiile eliptice au, de asemenea, halouri, dar nu la fel de clare ca cele în formă de disc.

Toate celelalte galaxii sunt considerate neregulate. Conțin mult praf și gaz și produc în mod activ stele tinere. Există puține astfel de galaxii la distanțe moderate de Calea Lactee, doar 3%.

Cu toate acestea, printre obiectele cu o deplasare mare spre roșu, a căror lumină a fost emisă nu mai târziu de 3 miliarde de ani după Big Bang, ponderea acestora crește brusc. Aparent, toate sistemele stelare din prima generație erau mici și aveau contururi neregulate, iar galaxiile mari în formă de disc și eliptice au apărut mult mai târziu.

Nașterea galaxiilor

Galaxiile s-au născut la scurt timp după stele. Se crede că primele luminari au fulgerat la cel mult 150 de milioane de ani după Big Bang. În ianuarie 2011, o echipă de astronomi care procesau informații de la Telescopul Spațial Hubble a raportat observarea probabilă a unei galaxii a cărei lumină a intrat în spațiu la 480 de milioane de ani după Big Bang.

În aprilie, o altă echipă de cercetare a descoperit o galaxie care, după toate probabilitățile, era deja complet formată când universul tânăr avea aproximativ 200 de milioane de ani.

Condițiile pentru nașterea stelelor și galaxiilor au apărut cu mult înainte de a începe. Când universul a depășit pragul de 400.000 de ani, plasma din spațiul cosmic a fost înlocuită cu un amestec de heliu neutru și hidrogen. Acest gaz era încă prea fierbinte pentru a se uni în norii moleculari care dau naștere stelelor.

Cu toate acestea, a fost adiacent particulelor de materie întunecată, distribuite inițial în spațiu nu destul de uniform - unde este puțin mai dens, unde este mai rarefiată. Nu au interacționat cu gazul barionic și, prin urmare, sub acțiunea atracției reciproce, s-au prăbușit liber în zone cu densitate crescută.

Conform calculelor modelului, la o sută de milioane de ani de la Big Bang, în spațiu s-au format nori de materie întunecată de dimensiunea sistemului solar actual. S-au combinat în structuri mai mari, în ciuda extinderii spațiului. Așa au apărut ciorchinii de nori de materie întunecată și apoi ciorchinii acestor clustere. Au aspirat gaz spațial, permițându-i să se îngroașe și să se prăbușească.

În acest fel, au apărut primele stele supermasive, care au explodat rapid în supernove și au lăsat în urmă găuri negre. Aceste explozii au îmbogățit spațiul cu elemente mai grele decât heliul, care au ajutat la răcirea norilor de gaz care se prăbușeau și, prin urmare, au făcut posibilă apariția unor stele mai puțin masive din a doua generație.

Astfel de stele ar putea exista deja de miliarde de ani și, prin urmare, au putut să formeze (din nou cu ajutorul materiei întunecate) sisteme legate gravitațional. Așa au apărut galaxiile cu viață lungă, inclusiv ale noastre.

„Multe dintre detaliile galactogenezei sunt încă ascunse în ceață”, spune John Kormendy. - În special, acest lucru se aplică rolului găurilor negre. Masele lor variază de la zeci de mii de mase solare până la recordul absolut actual de 6,6 miliarde de mase solare, aparținând unei găuri negre din miezul galaxiei eliptice M87, situată la 53,5 milioane de ani lumină de Soare.

Găurile din centrele galaxiilor eliptice sunt de obicei înconjurate de umflături formate din stele vechi. Galaxiile spirale pot să nu aibă deloc umflături sau să aibă asemănările lor plate, pseudo-bulburi. Masa unei găuri negre este de obicei cu trei ordine de mărime mai mică decât masa umflăturii - în mod natural, dacă este prezentă. Acest model este confirmat de observațiile care acoperă găurile cu o masă de la un milion până la un miliard de mase solare.”

Potrivit profesorului Kormendy, găurile negre galactice câștigă masă în două moduri. Gaura, înconjurată de o umflătură cu drepturi depline, crește datorită absorbției gazului care vine în umflătură din zona exterioară a galaxiei. În timpul fuziunii galaxiilor, intensitatea afluxului acestui gaz crește brusc, ceea ce inițiază izbucniri de quasari.

Ca urmare, umflăturile și găurile evoluează în paralel, ceea ce explică corelația dintre masele lor (cu toate acestea, alte mecanisme, încă necunoscute, pot funcționa și ele).

Cercetătorii de la Universitatea din Pittsburgh, UC Irvine și Universitatea Atlantic din Florida au modelat coliziunea Căii Lactee și a predecesorului galaxiei eliptice pitice din Săgetător (SagDEG) în Săgetător.

Ei au analizat două opțiuni pentru coliziuni - cu un simplu (3x10¹⁰mase solare) și grele (10¹¹ mase solare) SagDEG. Figura arată rezultatele a 2,7 miliarde de ani de evoluție a Căii Lactee fără interacțiune cu o galaxie pitică și cu interacțiune cu varianta ușoară și grea a SagDEG.

Galaxiile fără cheală și galaxiile cu pseudo-bulburi sunt o problemă diferită. Masele găurilor lor nu depășesc de obicei 104-106 mase solare. Potrivit profesorului Kormendy, ei sunt hrăniți cu gaz din cauza proceselor aleatorii care au loc în apropierea gaurii și nu se extind în întreaga galaxie. O astfel de gaură crește indiferent de evoluția galaxiei sau de pseudo-bulgerea acesteia, ceea ce explică lipsa corelației dintre masele lor.

Galaxii în creștere

Galaxiile pot crește atât în dimensiune, cât și în masă. „În trecutul îndepărtat, galaxiile au făcut acest lucru mult mai eficient decât în erele cosmologice recente”, explică Garth Illingworth, profesor de astronomie și astrofizică la Universitatea din California, Santa Cruz. - Rata de naștere a noilor stele este estimată în termeni de producție anuală a unei unități de masă a materiei stelare (în această calitate, masa Soarelui) pe unitatea de volum din spațiul cosmic (de obicei un megaparsec cub).

La momentul formării primelor galaxii, această cifră era foarte mică și apoi a început să crească rapid, ceea ce a continuat până când Universul a împlinit 2 miliarde de ani. Pentru încă 3 miliarde de ani, a fost relativ constantă, apoi a început să scadă aproape proporțional cu timpul, iar această scădere continuă și astăzi. Deci, acum 7-8 miliarde de ani, rata medie de formare a stelelor era de 10-20 de ori mai mare decât cea actuală. Cele mai multe galaxii observabile erau deja pe deplin formate în acea epocă îndepărtată.”

Figura arată rezultatele evoluției în momente diferite - configurația inițială (a), după 0, 9 (b), 1, 8 © și 2, 65 miliarde de ani (d). Conform calculelor modelului, bara și brațele spiralate ale Căii Lactee s-ar fi putut forma ca urmare a coliziunilor cu SagDEG, care a tras inițial la 50-100 de miliarde de mase solare.

A trecut de două ori prin discul galaxiei noastre și și-a pierdut o parte din materie (atât obișnuită, cât și întunecată), provocând perturbări ale structurii sale. Masa actuală a SagDEG nu depășește zeci de milioane de mase solare, iar următoarea coliziune, care este așteptată nu mai târziu de 100 de milioane de ani mai târziu, va fi cel mai probabil ultima.

În termeni generali, această tendință este de înțeles. Galaxiile cresc în două moduri principale. În primul rând, obțin material proaspăt exploziv prin atragerea de particule de gaz și praf din spațiul înconjurător. Timp de câteva miliarde de ani după Big Bang, acest mecanism a funcționat corect pur și simplu pentru că a existat suficientă materie primă stelară în spațiu pentru toată lumea.

Apoi, când rezervele s-au epuizat, rata nașterii stelare a scăzut. Cu toate acestea, galaxiile au găsit capacitatea de a o crește prin ciocniri și fuziuni. Adevărat, pentru ca această opțiune să fie realizată, galaxiile care se ciocnesc trebuie să aibă o rezervă decentă de hidrogen interstelar. Pentru galaxiile eliptice mari, unde practic a dispărut, fuziunea nu ajută, dar în galaxiile discoide și neregulate funcționează.

Curs de coliziune

Să vedem ce se întâmplă când două galaxii de tip disc aproximativ identice se îmbină. Stelele lor aproape că nu se ciocnesc niciodată - distanțele dintre ele sunt prea mari. Cu toate acestea, discul gazos al fiecărei galaxii se confruntă cu forțe de maree din cauza gravitației vecinului său. Materia barionică a discului pierde o parte din momentul unghiular și se deplasează în centrul galaxiei, unde apar condițiile pentru o creștere explozivă a ratei de formare a stelelor.

O parte din această substanță este absorbită de găurile negre, care câștigă și masă. În faza finală a unificării galaxiilor, găurile negre fuzionează, iar discurile stelare ale ambelor galaxii își pierd structura anterioară și sunt dispersate în spațiu. Ca rezultat, o eliptică se formează dintr-o pereche de galaxii spirale. Dar aceasta nu este în niciun caz imaginea completă. Radiațiile de la stelele tinere strălucitoare pot arunca o parte din hidrogenul din galaxia nou-născută.

În același timp, acumularea activă de gaz pe gaura neagră o obligă pe aceasta din urmă să arunce din când în când jeturi de particule enorme de energie în spațiu, încălzind gazul în întreaga galaxie și împiedicând astfel formarea de noi stele. Galaxia se liniștește treptat - cel mai probabil pentru totdeauna.

Galaxiile de diferite dimensiuni se ciocnesc diferit. O galaxie mare este capabilă să înghită o galaxie pitică (o dată sau în mai mulți pași) și, în același timp, să-și păstreze propria structură. Acest canibalism galactic poate stimula, de asemenea, formarea stelelor.

Galaxia pitică este complet distrusă, lăsând în urmă lanțuri de stele și jeturi de gaz cosmic, care sunt observate atât în Galaxia noastră, cât și în Andromeda vecină. Dacă una dintre galaxiile care se ciocnesc nu este prea superioară celeilalte, sunt posibile efecte și mai interesante.

În așteptarea super-telescopului

Astronomia galactică a supraviețuit aproape un secol. A început practic de la zero și a realizat multe. Cu toate acestea, numărul problemelor nerezolvate este foarte mare. Oamenii de știință se așteaptă la multe de la telescopul orbitant în infraroșu James Webb, care urma să fie lansat în 2021.