Galaxernas liv och historien om deras studier

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Historien om studiet av planeter och stjärnor mäts i årtusenden, solen, kometer, asteroider och meteoriter - i århundraden. Men galaxer, utspridda över hela universum, hopar av stjärnor, kosmisk gas och dammpartiklar, blev föremål för vetenskaplig forskning först på 1920-talet.

Galaxer har observerats sedan urminnes tider. En person med skarp syn kan urskilja ljusa fläckar på natthimlen, liknande mjölkdroppar. På 900-talet nämnde den persiske astronomen Abd-al-Raman al-Sufi i sin bok med fasta stjärnor två liknande fläckar, nu kända som det stora magellanska molnet och galaxen M31, alias Andromeda.

Med tillkomsten av teleskop har astronomer observerat fler och fler av dessa objekt, kallade nebulosor. Om den engelske astronomen Edmund Halley bara listade sex nebulosor 1716, så innehöll katalogen som publicerades 1784 av den franska sjöastronomen Charles Messier redan 110 - och bland dem fyra dussin riktiga galaxer (inklusive M31).

År 1802 publicerade William Herschel en lista med 2 500 nebulosor, och hans son John publicerade en katalog med mer än 5 000 nebulosor 1864.

Vår närmaste granne, Andromedagalaxen (M31), är ett av de himmelska objekten som är favorit för amatörastronomiska observationer och fotografering.

Arten av dessa föremål har länge undgått förståelse. I mitten av 1700-talet såg några kräsna sinnen i dem stjärnsystem som liknade Vintergatan, men teleskop på den tiden gav inte möjlighet att testa denna hypotes.

Ett sekel senare rådde åsikten att varje nebulosa är ett gasmoln som upplysts från insidan av en ung stjärna. Senare var astronomer övertygade om att vissa nebulosor, inklusive Andromeda, innehåller många stjärnor, men under lång tid var det inte klart om de finns i vår galax eller utanför.

Det var först 1923-1924 som Edwin Hubble fastställde att avståndet från jorden till Andromeda var minst tre gånger Vintergatans diameter (i själva verket ungefär 20 gånger) och att M33, en annan nebulosa från Messier-katalogen, inte var någon mindre avstånd från oss.avstånd. Dessa resultat markerade början på en ny vetenskaplig disciplin - galaktisk astronomi.

1926 föreslog den berömde amerikanske astronomen Edwin Powell Hubble (och moderniserade 1936) sin klassificering av galaxer efter deras morfologi. På grund av sin karakteristiska form kallas denna klassificering även "Hubbles stämgaffel".

På "stammen" av stämgaffeln finns elliptiska galaxer, på gaffelns utsprång - linsformade galaxer utan ärmar och spiralgalaxer utan en stångbro och med en stång. Galaxer som inte kan klassificeras som en av de listade klasserna kallas oregelbundna eller oregelbundna.

Dvärgar och jättar

Universum är fyllt av galaxer av olika storlekar och massor. Deras antal är känt väldigt ungefär. År 2004 upptäckte Hubble-teleskopet omkring 10 000 galaxer på tre och en halv månad och skannade i den södra stjärnbilden Fornax ett område på himlen som är hundra gånger mindre än månskivans yta.

Om vi antar att galaxer är fördelade över himmelssfären med samma densitet, visar det sig att det finns 200 miljarder i det observerade rymden, men denna uppskattning är kraftigt underskattad, eftersom teleskopet inte kunde lägga märke till så många mycket svaga galaxer.

Form och innehåll

Galaxer skiljer sig också i morfologi (det vill säga i form). I allmänhet är de indelade i tre huvudklasser - skivformade, elliptiska och oregelbundna (oregelbundna). Detta är en allmän klassificering, det finns mycket mer detaljerade.

Galaxer är inte alls slumpmässigt fördelade i yttre rymden. Massiva galaxer är ofta omgivna av små satellitgalaxer. Både vår Vintergatan och angränsande Andromeda har minst 14 satelliter, och troligen finns det många fler. Galaxer älskar att förenas i par, trillingar och större grupper av dussintals gravitationsbundna partners.

De större föreningarna, galaktiska hopar, innehåller hundratals och tusentals galaxer (den första av sådana hopar upptäcktes av Messier). Ibland observeras en särskilt ljus jättegalax i mitten av klustret, som tros ha uppstått under sammanslagningen av mindre galaxer.

Och slutligen finns det också superkluster, som inkluderar både galaktiska hopar och grupper, och enskilda galaxer. Vanligtvis är dessa långsträckta strukturer upp till hundratals megaparsek långa. De är åtskilda av nästan helt galaxfria rymdhålrum av samma storlek.

Superkluster är inte längre organiserade i några strukturer av högre ordning och är utspridda över hela kosmos på ett slumpmässigt sätt. Av denna anledning, på en skala av flera hundra megaparsek, är vårt universum homogent och isotropiskt.

En skivformad galax är en stellar pannkaka som kretsar runt en axel som går genom dess geometriska centrum. Vanligtvis på båda sidor av pannkakans centrala zon finns en oval bula (från den engelska bulan). Utbuktningen roterar också, men med en lägre vinkelhastighet än skivan. I skivans plan observeras ofta spiralgrenar, som överflöd av relativt unga ljusa armaturer. Det finns dock galaktiska skivor utan spiralstruktur, där det finns många färre sådana stjärnor.

Den centrala zonen i en skivformad galax kan skäras av en stjärnstång - en stång. Utrymmet inuti skivan är fyllt med ett gas- och dammmedium - källmaterialet för nya stjärnor och planetsystem. Galaxen har två skivor: stjärnskivor och gasformiga.

De är omgivna av en galaktisk halo - ett sfäriskt moln av förtärnad het gas och mörk materia, som utgör det huvudsakliga bidraget till galaxens totala massa. Halon innehåller också enskilda gamla stjärnor och klotformade stjärnhopar (klothopar) upp till 13 miljarder år gamla. I mitten av nästan vilken skivformad galax som helst, med eller utan en utbuktning, finns ett supermassivt svart hål. De största galaxerna av denna typ innehåller 500 miljarder stjärnor var.

Vintergatan

Solen kretsar runt mitten av en helt vanlig spiralgalax, som omfattar 200-400 miljarder stjärnor. Dess diameter är cirka 28 kiloparsecs (drygt 90 ljusår). Radien för solens intragalaktiska omloppsbana är 8,5 kiloparsecs (så att vår stjärna förskjuts till ytterkanten av den galaktiska skivan), tiden för ett fullständigt varv runt galaxens centrum är cirka 250 miljoner år.

Vintergatans utbuktning är elliptisk till formen och har en stång som nyligen upptäcktes. I mitten av bulan finns en kompakt kärna fylld med stjärnor i olika åldrar - från flera miljoner år till en miljard och äldre. Inne i kärnan, bakom täta dammiga moln, ligger ett ganska blygsamt svart hål med galaktiska mått - bara 3,7 miljoner solmassor.

Vår galax har en dubbel stjärnskiva. Den inre skivan, som inte har mer än 500 parsecs vertikalt, står för 95 % av stjärnorna i skivzonen, inklusive alla unga ljusa stjärnor. Den är omgiven av en yttre skiva som är 1 500 parsecs tjock, där äldre stjärnor lever. Den gasformiga (mer exakt, gas-damm) skivan i Vintergatan är minst 3,5 kiloparsecs tjock. Skivans fyra spiralarmar är områden med ökad densitet av gas-dammmediet och innehåller de flesta av de mest massiva stjärnorna.

Diametern på Vintergatans halo är minst dubbelt så stor som skivans diameter. Omkring 150 klothopar har upptäckts där, och troligtvis har ytterligare ett femtiotal ännu inte upptäckts. De äldsta klustren är över 13 miljarder år gamla. Halon är fylld med mörk materia med en klumpig struktur.

Fram till nyligen trodde man att halo är nästan sfärisk, men enligt de senaste uppgifterna kan den avsevärt tillplattas. Den totala massan av galaxen kan vara upp till 3 biljoner solmassor, med mörk materia som står för 90-95%. Massan av stjärnor i Vintergatan uppskattas till 90-100 miljarder gånger solens massa.

En elliptisk galax är, som namnet antyder, ellipsoid. Den roterar inte som en helhet och har därför inte axiell symmetri. Dess stjärnor, som för det mesta har en relativt låg massa och avsevärd ålder, kretsar kring det galaktiska centrumet i olika plan och ibland inte individuellt, utan i mycket långsträckta kedjor.

Nya armaturer i elliptiska galaxer lyser sällan på grund av brist på råmaterial - molekylärt väte.

Liksom människor är galaxer grupperade tillsammans. Vår lokala grupp inkluderar de två största galaxerna i närheten av cirka 3 megaparsek - Vintergatan och Andromeda (M31), Triangulumgalaxen, såväl som deras satelliter - de stora och små magellanska molnen, dvärggalaxerna i Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix, och många andra - totalt ett femtiotal. Den lokala gruppen är i sin tur medlem i det lokala superklustret Jungfrun.

Både de största och de minsta galaxerna är av elliptisk typ. Den totala andelen av dess representanter i den galaktiska befolkningen i universum är bara cirka 20%. Dessa galaxer (möjligt med undantag för de minsta och svagaste) döljer också supermassiva svarta hål i sina centrala zoner. Elliptiska galaxer har också glorier, men inte lika tydliga som de för skivformade.

Alla andra galaxer anses vara oregelbundna. De innehåller mycket damm och gas och producerar aktivt unga stjärnor. Det finns få sådana galaxer på måttliga avstånd från Vintergatan, bara 3 %.

Men bland föremål med stor rödförskjutning, vars ljus sänds ut senast 3 miljarder år efter Big Bang, ökar deras andel kraftigt. Tydligen var alla stjärnsystem av den första generationen små och hade oregelbundna konturer, och stora skivformade och elliptiska galaxer uppstod långt senare.

Födelse av galaxer

Galaxer föddes strax efter stjärnor. Man tror att de första armaturerna blinkade senast 150 miljoner år efter Big Bang. I januari 2011 rapporterade ett team av astronomer som bearbetade information från rymdteleskopet Hubble den troliga observationen av en galax vars ljus gick ut i rymden 480 miljoner år efter Big Bang.

I april upptäckte ett annat forskarlag en galax som med all sannolikhet redan var färdigbildad när det unga universum var cirka 200 miljoner år gammalt.

Förutsättningarna för födelsen av stjärnor och galaxer uppstod långt innan det började. När universum passerade 400 000 år, ersattes plasma i yttre rymden av en blandning av neutralt helium och väte. Denna gas var fortfarande för varm för att smälta samman till de molekylära molnen som ger upphov till stjärnor.

Den låg dock intill partiklar av mörk materia, från början fördelade i rymden inte riktigt jämnt - där den är lite tätare, där den är mer sällsynt. De interagerade inte med baryongasen och kollapsade därför, under inverkan av ömsesidig attraktion, fritt in i zoner med ökad densitet.

Enligt modellberäkningar bildades inom hundra miljoner år efter Big Bang moln av mörk materia i storleken av det nuvarande solsystemet i rymden. De kombinerades till större strukturer, trots utvidgningen av utrymmet. Så här uppstod klustren av mörka materiamoln, och sedan klustren av dessa kluster. De sög in rymdgas, så att den tjocknade och kollapsade.

På så sätt dök de första supermassiva stjärnorna upp som snabbt exploderade till supernovor och lämnade efter sig svarta hål. Dessa explosioner berikade rymden med element tyngre än helium, vilket hjälpte till att kyla de kollapsande gasmolnen och därför möjliggjorde uppkomsten av mindre massiva andra generationens stjärnor.

Sådana stjärnor kunde redan existera i miljarder år och kunde därför (igen med hjälp av mörk materia) bilda gravitationsbundna system. Det var så långlivade galaxer uppstod, inklusive vår.

"Många av detaljerna i galaktogenesen är fortfarande gömda i dimman", säger John Kormendy. – I synnerhet gäller det de svarta hålens roll. Deras massor sträcker sig från tiotusentals solmassor till det nuvarande absoluta rekordet på 6,6 miljarder solmassor, som tillhör ett svart hål från kärnan av den elliptiska galaxen M87, som ligger 53,5 miljoner ljusår från solen.

Hål i mitten av elliptiska galaxer är vanligtvis omgivna av utbuktningar som består av gamla stjärnor. Spiralgalaxer kanske inte har några utbuktningar alls eller har sina platta likheter, pseudo-utbuktningar. Massan av ett svart hål är vanligtvis tre storleksordningar mindre än utbuktningens massa - naturligtvis, om den är närvarande. Detta mönster bekräftas av observationer som täcker hål med en massa från en miljon till en miljard solmassor."

Enligt professor Kormendy får galaktiska svarta hål massa på två sätt. Hålet, omgivet av en fullfjädrad utbuktning, växer på grund av absorptionen av gas som kommer till utbuktningen från galaxens yttre zon. Under sammanslagning av galaxer ökar intensiteten av inflödet av denna gas kraftigt, vilket initierar utbrott av kvasarer.

Som ett resultat av detta utvecklas utbuktningar och hål parallellt, vilket förklarar korrelationen mellan deras massor (dock kan andra, ännu okända mekanismer också fungera).

Forskare från University of Pittsburgh, UC Irvine och Atlantic University of Florida har modellerat kollisionen mellan Vintergatan och föregångaren till Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy (SagDEG) i Skytten.

De analyserade två alternativ för kollisioner - med en lätt (3x10¹⁰solmassor) och tunga (10¹¹ solmassor) SagDEG. Figuren visar resultaten av 2,7 miljarder års evolution av Vintergatan utan interaktion med en dvärggalax och med interaktion med den lätta och tunga varianten av SagDEG.

Kalliga galaxer och galaxer med pseudo-bultor är en annan sak. Massorna av deras hål överstiger vanligtvis inte 104-106 solmassor. Enligt professor Kormendy matas de med gas på grund av slumpmässiga processer som sker nära hålet, och sträcker sig inte över hela galaxen. Ett sådant hål växer oavsett galaxens utveckling eller dess pseudo-bula, vilket förklarar bristen på korrelation mellan deras massor.

Växande galaxer

Galaxer kan öka både i storlek och massa. "I det avlägsna förflutna gjorde galaxer detta mycket mer effektivt än under de senaste kosmologiska epoker", förklarar Garth Illingworth, professor i astronomi och astrofysik vid University of California, Santa Cruz. - Födelsehastigheten för nya stjärnor uppskattas i termer av den årliga produktionen av en massaenhet av stjärnmateria (i denna egenskap, solens massa) per volymenhet av yttre rymden (vanligtvis en kubisk megaparsek).

Vid tidpunkten för bildandet av de första galaxerna var denna siffra mycket liten och började sedan växa snabbt, vilket fortsatte tills universum var 2 miljarder år gammalt. Under ytterligare 3 miljarder år var den relativt konstant, sedan började den minska nästan i proportion till tiden, och denna nedgång fortsätter än i dag. Så för 7-8 miljarder år sedan var den genomsnittliga takten för stjärnbildning 10-20 gånger högre än den nuvarande. De flesta observerbara galaxer var redan helt bildade under den avlägsna epoken."

Figuren visar resultaten av evolutionen vid olika tidpunkter - den initiala konfigurationen (a), efter 0, 9 (b), 1, 8 © och 2, 65 miljarder år (d). Enligt modellberäkningar kunde Vintergatans stång och spiralarmar ha bildats till följd av kollisioner med SagDEG, som till en början drog på 50-100 miljarder solmassor.

Två gånger passerade den genom skivan i vår galax och förlorade en del av sin materia (både vanlig och mörk), vilket orsakade störningar i dess struktur. Den nuvarande massan av SagDEG överstiger inte tiotals miljoner solmassor, och nästa kollision, som förväntas senast 100 miljoner år senare, kommer med största sannolikhet att bli den sista för den.

Generellt sett är denna trend förståelig. Galaxer växer på två huvudsakliga sätt. Först får de färskt stjärnskottsmaterial genom att dra in gas- och dammpartiklar från det omgivande utrymmet. Under flera miljarder år efter Big Bang fungerade denna mekanism korrekt helt enkelt för att det fanns tillräckligt med stjärnråmaterial i rymden för alla.

Sedan, när reserverna var uttömda, sjönk takten för stjärnfödelse. Däremot har galaxer funnit förmågan att öka den genom kollisioner och sammanslagningar. Det är sant att för att detta alternativ ska kunna realiseras måste de kolliderande galaxerna ha en anständig tillgång på interstellärt väte. För stora elliptiska galaxer, där den praktiskt taget är borta, hjälper inte sammanslagning, men i diskoida och oregelbundna galaxer fungerar det.

Kollisionskurs

Låt oss se vad som händer när två ungefär identiska galaxer av disktyp smälter samman. Deras stjärnor kolliderar nästan aldrig – avstånden mellan dem är för stora. Men gasskivan i varje galax upplever tidvattenkrafter på grund av sin grannes gravitation. Skivans baryoniska materia förlorar en del av rörelsemängden och skiftar till galaxens centrum, där förutsättningar för en explosiv tillväxt i stjärnbildningshastigheten uppstår.

En del av detta ämne absorberas av svarta hål, som också får massa. I slutfasen av föreningen av galaxer smälter svarta hål samman, och stjärnskivorna i båda galaxerna förlorar sin tidigare struktur och sprids i rymden. Som ett resultat bildas en elliptisk form av ett par spiralgalaxer. Men detta är inte på något sätt hela bilden. Strålning från unga ljusa stjärnor kan blåsa ut en del av vätet ur den nyfödda galaxen.

Samtidigt tvingar den aktiva ansamlingen av gas till det svarta hålet det senare att då och då skjuta strålar av enorma energipartiklar ut i rymden, vilket värmer upp gas i hela galaxen och på så sätt förhindrar bildandet av nya stjärnor. Galaxen tystnar gradvis - troligen för alltid.

Galaxer av olika storlekar kolliderar olika. En stor galax är kapabel att svälja en dvärggalax (på en gång eller i flera steg) och samtidigt bevara sin egen struktur. Denna galaktiska kannibalism kan också stimulera stjärnbildning.

Dvärggalaxen är helt förstörd och lämnar efter sig kedjor av stjärnor och strålar av kosmisk gas, som observeras både i vår galax och i grannlandet Andromeda. Om en av de kolliderande galaxerna inte är alltför överlägsen den andra är ännu mer intressanta effekter möjliga.

Väntar på superteleskopet

Galaktisk astronomi överlevde nästan ett sekel. Hon började praktiskt taget från noll och uppnådde mycket. Antalet olösta problem är dock mycket stort. Forskare förväntar sig mycket av James Webb Infrared Orbiting Telescope, som var planerad att lanseras 2021.