Galaktikų gyvenimas ir jų tyrimo istorija

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Planetų ir žvaigždžių tyrimo istorija matuojama tūkstantmečiais, Saulės, kometų, asteroidų ir meteoritų – šimtmečiais. Tačiau galaktikos, išsibarsčiusios visoje Visatoje, žvaigždžių spiečiai, kosminės dujų ir dulkių dalelės, mokslinių tyrimų objektu tapo tik praėjusio amžiaus 2 dešimtmetyje.

Galaktikos buvo stebimos nuo neatmenamų laikų. Žmogus, turintis aštrų regėjimą, gali atskirti šviesias dėmes naktiniame danguje, panašias į pieno lašus. 10 amžiuje persų astronomas Abd-al-Raman al-Sufi savo Fiksuotųjų žvaigždžių knygoje paminėjo dvi panašias vietas, dabar žinomas kaip Didysis Magelano debesis ir galaktika M31, dar žinoma kaip Andromeda.

Atsiradus teleskopams, astronomai pastebėjo vis daugiau šių objektų, vadinamų ūkais. Jei anglų astronomas Edmundas Halley 1716 metais išvardijo tik šešis ūkus, tai 1784 metais prancūzų jūrų astronomo Charleso Messier išleistame kataloge jau buvo 110 – ir tarp jų keturios dešimtys tikrų galaktikų (įskaitant M31).

1802 metais Williamas Herschelis paskelbė 2500 ūkų sąrašą, o jo sūnus Jonas 1864 metais išleido daugiau nei 5000 ūkų katalogą.

Mūsų artimiausia kaimynė Andromedos galaktika (M31) yra vienas mėgstamiausių dangaus objektų, skirtų mėgėjiškiems astronominiams stebėjimams ir fotografijai.

Šių objektų prigimtis ilgą laiką buvo nesuvokiama. XVIII amžiaus viduryje kai kurie įžvalgūs protai matė juose žvaigždžių sistemas, panašias į Paukščių Taką, tačiau teleskopai tuo metu nesuteikė galimybės patikrinti šios hipotezės.

Po šimtmečio įsivyravo nuomonė, kad kiekvienas ūkas yra dujų debesis, iš vidaus apšviestas jaunos žvaigždės. Vėliau astronomai buvo įsitikinę, kad kai kuriuose ūkuose, įskaitant Andromedą, yra daug žvaigždžių, tačiau ilgą laiką nebuvo aišku, ar jie yra mūsų Galaktikoje, ar už jos ribų.

Tik 1923–1924 m. Edvinas Hablas nustatė, kad atstumas nuo Žemės iki Andromedos buvo bent tris kartus didesnis už Paukščių Tako skersmenį (iš tikrųjų apie 20 kartų) ir kad M33, kitas ūkas iš Mesjė katalogo, nėra mažiau nutolęs nuo mūsų.atstumas. Šie rezultatai pažymėjo naujos mokslinės disciplinos – galaktikos astronomijos – pradžią.

1926 m. garsus amerikiečių astronomas Edwinas Powellas Hablas pasiūlė (o 1936 m. modernizavo) savo galaktikų klasifikaciją pagal jų morfologiją. Dėl būdingos formos ši klasifikacija dar vadinama „Hablo kamertonu“.

Ant kamertono "stiebo" yra elipsės formos galaktikos, ant šakės šakelių - lęšinės galaktikos be rankovių ir spiralinės galaktikos be strypo-tilto ir su strypu. Galaktikos, kurių negalima priskirti vienai iš išvardytų klasių, vadinamos netaisyklingomis arba netaisyklingomis.

Nykštukai ir milžinai

Visata užpildyta įvairaus dydžio ir masės galaktikų. Jų skaičius žinomas labai apytiksliai. 2004 m. Hablo orbitinis teleskopas per tris su puse mėnesio aptiko apie 10 000 galaktikų, pietiniame Fornakso žvaigždyne nuskenavęs dangaus sritį, kuri yra šimtą kartų mažesnė už Mėnulio disko plotą.

Jei darysime prielaidą, kad galaktikos dangaus sferoje yra pasiskirstusios vienodu tankiu, paaiškėtų, kad stebimoje erdvėje yra 200 mlrd. Tačiau šis įvertinimas yra labai neįvertintas, nes teleskopu nepavyko pastebėti daugybės labai silpnų galaktikų..

Forma ir turinys

Galaktikos taip pat skiriasi morfologija (tai yra forma). Apskritai jie skirstomi į tris pagrindines klases – disko formos, elipsės formos ir netaisyklingus (netaisyklingus). Tai yra bendra klasifikacija, yra daug išsamesnių.

Galaktikos visiškai neatsitiktinai pasiskirsto kosmose. Didžiules galaktikas dažnai supa mažos palydovinės galaktikos. Tiek mūsų Paukščių Takas, tiek kaimyninė Andromeda turi mažiausiai 14 palydovų ir greičiausiai jų yra daug daugiau. Galaktikos mėgsta vienytis poromis, trynukais ir didesnėmis grupėmis, susidedančiomis iš dešimčių gravitaciniu būdu susijusių partnerių.

Didesnėse asociacijose, galaktikų spiečiuose, yra šimtai ir tūkstančiai galaktikų (pirmąjį iš tokių spiečių atrado Mesjė). Kartais spiečiaus centre pastebima ypač ryški milžiniška galaktika, kuri, kaip manoma, atsirado susiliejus mažesnėms galaktkoms.

Ir galiausiai, yra ir superspiečių, į kuriuos įeina ir galaktikos spiečiai, ir grupės, ir atskiros galaktikos. Paprastai tai yra pailgos struktūros, kurių ilgis siekia šimtus megaparsekų. Jas skiria beveik visiškai be galaktikos tokio pat dydžio erdvės tuštumos.

Superspiečiai nebėra suskirstyti į jokias aukštesnės eilės struktūras ir atsitiktinai išsibarstę po Kosmosą. Dėl šios priežasties kelių šimtų megaparsekų mastu mūsų Visata yra vienalytė ir izotropinė.

Disko formos galaktika yra žvaigždžių blynas, besisukantis aplink ašį, einantį per jos geometrinį centrą. Dažniausiai iš abiejų centrinės blyno zonos pusių būna ovalus iškilimas (iš angl. bulge). Iškilimas taip pat sukasi, bet mažesniu kampiniu greičiu nei disko. Disko plokštumoje dažnai pastebimos spiralinės šakos, kuriose gausu palyginti jaunų ryškių šviesuolių. Tačiau yra galaktikos diskų be spiralinės struktūros, kur tokių žvaigždžių daug mažiau.

Centrinę disko formos galaktikos zoną gali perpjauti žvaigždžių juosta – juosta. Erdvė disko viduje užpildyta dujų ir dulkių terpe – naujų žvaigždžių ir planetų sistemų šaltiniu. Galaktika turi du diskus: žvaigždinį ir dujinį.

Juos supa galaktikos aureolė – sferinis išretintų karštų dujų ir tamsiosios medžiagos debesis, kuris sudaro pagrindinį indėlį į bendrą galaktikos masę. Aureole taip pat yra atskirų senų žvaigždžių ir rutulinių žvaigždžių spiečių (rutulinių spiečių), kurių amžius siekia 13 milijardų metų. Beveik bet kurios disko formos galaktikos centre, su iškilimu arba be jo, yra supermasyvi juodoji skylė. Didžiausiose šio tipo galaktikose yra po 500 milijardų žvaigždžių.

paukščių takas

Saulė sukasi aplink gana įprastos spiralinės galaktikos, kurią sudaro 200–400 milijardų žvaigždžių, centrą. Jo skersmuo yra maždaug 28 kiloparsekai (šiek tiek daugiau nei 90 šviesmečių). Saulės intragalaktinės orbitos spindulys yra 8,5 kiloparseko (taip, kad mūsų žvaigždė būtų pasislinkusi į išorinį galaktikos disko kraštą), visiško apsisukimo aplink Galaktikos centrą laikas yra apie 250 milijonų metų.

Paukščių Tako iškilimas yra elipsės formos ir turi neseniai atrastą strypą. Iškilimo centre yra kompaktiška šerdis, užpildyta įvairaus amžiaus žvaigždėmis – nuo kelių milijonų metų iki milijardo ir senesnių. Šerdies viduje, už tankių dulkėtų debesų, slypi galaktikos standartais gana kukli juodoji skylė – tik 3,7 milijono Saulės masių.

Mūsų galaktika gali pasigirti dvigubu žvaigždžių disku. Vidinis diskas, kurio vertikaliai yra ne daugiau kaip 500 parsekų, sudaro 95% disko zonoje esančių žvaigždžių, įskaitant visas jaunas ryškias žvaigždes. Jį supa 1500 parsekų storio išorinis diskas, kuriame gyvena senesnės žvaigždės. Dujinis (tiksliau, dujų-dulkių) Paukščių Tako diskas yra mažiausiai 3,5 kiloparseko storio. Keturios spiralinės disko gėlės yra padidėjusio dujų ir dulkių terpės tankio sritys, kuriose yra dauguma masyviausių žvaigždžių.

Paukščių Tako aureolės skersmuo yra bent du kartus didesnis už disko skersmenį. Ten buvo aptikta apie 150 rutulinių spiečių ir, greičiausiai, dar apie penkiasdešimt dar nebuvo atrasta. Seniausioms klasteriams yra daugiau nei 13 milijardų metų. Aureolė užpildyta gumbuotos struktūros tamsia medžiaga.

Dar visai neseniai buvo manoma, kad aureolė yra beveik sferinė, tačiau, naujausiais duomenimis, ją galima gerokai išlyginti. Bendra Galaktikos masė gali siekti iki 3 trilijonų Saulės masių, o tamsioji medžiaga sudaro 90–95%. Manoma, kad Paukščių Tako žvaigždžių masė yra 90–100 milijardų kartų didesnė už Saulės masę.

Elipsinė galaktika, kaip rodo jos pavadinimas, yra elipsoidinė. Jis nesisuka kaip visuma, todėl neturi ašinės simetrijos. Jo žvaigždės, kurios dažniausiai turi gana mažą masę ir nemažą amžių, sukasi aplink galaktikos centrą skirtingose plokštumose ir kartais ne pavieniui, o labai pailgomis grandinėmis.

Nauji šviesuoliai elipsinėse galaktikose retai įsižiebia dėl žaliavos – molekulinio vandenilio – trūkumo.

Kaip ir žmonės, galaktikos yra sugrupuotos. Mūsų vietinei grupei priklauso dvi didžiausios galaktikos, esančios netoli maždaug 3 megaparsekų – Paukščių Takas ir Andromeda (M31), Triangulum galaktika, taip pat jų palydovai – Didysis ir Mažasis Magelano debesys, nykštukinės galaktikos Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix ir daugelis kitų – iš viso apie penkiasdešimt. Vietinė grupė savo ruožtu yra vietinio Mergelės superspiečiaus narė.

Ir didžiausia, ir mažiausia galaktikos yra elipsės formos. Bendra jos atstovų dalis Visatos galaktikos populiacijoje yra tik apie 20%. Šios galaktikos (išskyrus galbūt mažiausias ir silpniausias) savo centrinėse zonose taip pat slepia supermasyvias juodąsias skyles. Elipsinės galaktikos taip pat turi aureolę, bet ne tokias aiškias kaip disko formos galaktikos.

Visos kitos galaktikos laikomos netaisyklingomis. Juose yra daug dulkių ir dujų, jie aktyviai gamina jaunas žvaigždes. Tokių galaktikų nedideliais atstumais nuo Paukščių Tako yra nedaug, tik 3 proc.

Tačiau tarp objektų su dideliu raudonuoju poslinkiu, kurių šviesa buvo išspinduliuota ne vėliau kaip po 3 milijardų metų po Didžiojo sprogimo, jų dalis smarkiai išauga. Matyt, visos pirmosios kartos žvaigždžių sistemos buvo mažos ir netaisyklingų kontūrų, o didelės disko formos ir elipsės galaktikos atsirado daug vėliau.

Galaktikų gimimas

Galaktikos gimė netrukus po žvaigždžių. Manoma, kad pirmieji šviesuliai blykstelėjo ne vėliau kaip po 150 milijonų metų po Didžiojo sprogimo. 2011 m. sausį astronomų komanda, apdorojusi informaciją iš Hablo kosminio teleskopo, pranešė apie galimą galaktikos stebėjimą, kurios šviesa į kosmosą pateko praėjus 480 milijonų metų po Didžiojo sprogimo.

Balandį kita tyrėjų komanda atrado galaktiką, kuri, greičiausiai, jau buvo visiškai susiformavusi, kai jaunai visatai buvo apie 200 milijonų metų.

Sąlygos žvaigždžių ir galaktikų gimimui susiklostė gerokai anksčiau nei jis prasidėjo. Kai visata peržengė 400 000 metų ribą, plazma kosmose buvo pakeista neutralaus helio ir vandenilio mišiniu. Šios dujos vis dar buvo per karštos, kad susijungtų į molekulinius debesis, iš kurių susidaro žvaigždės.

Tačiau jis buvo greta tamsiosios medžiagos dalelių, iš pradžių pasiskirstęs erdvėje ne visai tolygiai – kur kiek tankesnis, kur retesnis. Jie nesąveikavo su barioninėmis dujomis ir todėl, veikiami abipusės traukos, laisvai subyrėjo į padidinto tankio zonas.

Modelio skaičiavimais, per šimtą milijonų metų po Didžiojo sprogimo erdvėje susiformavo dabartinės Saulės sistemos dydžio tamsiosios medžiagos debesys. Nepaisant erdvės išsiplėtimo, jie susijungė į didesnes struktūras. Taip atsirado tamsiosios materijos debesų sankaupos, o vėliau ir šių spiečių. Jie siurbė kosmines dujas, leisdami joms sutirštėti ir subyrėti.

Tokiu būdu atsirado pirmosios supermasyvios žvaigždės, kurios greitai sprogo į supernovą ir paliko juodąsias skyles. Šie sprogimai praturtino erdvę sunkesniais už helią elementais, kurie padėjo atvėsinti griūvančius dujų debesis ir todėl leido atsirasti ne tokioms masyvioms antrosios kartos žvaigždėms.

Tokios žvaigždės jau galėjo egzistuoti milijardus metų ir todėl galėjo sudaryti (vėlgi tamsiosios materijos pagalba) gravitaciškai susietas sistemas. Taip atsirado ilgaamžės galaktikos, tarp jų ir mūsų.

„Daugelis galaktogenezės detalių vis dar paslėptos rūke“, – sako Johnas Kormendy. – Tai ypač pasakytina apie juodųjų skylių vaidmenį. Jų masė svyruoja nuo dešimčių tūkstančių saulės masių iki dabartinio absoliutaus 6,6 milijardo saulės masių rekordo, priklausančio juodajai skylei iš elipsinės galaktikos M87 šerdies, esančios 53,5 milijono šviesmečių nuo Saulės.

Skyles elipsinių galaktikų centruose paprastai supa iškilimai, sudaryti iš senų žvaigždžių. Spiralinės galaktikos gali išvis neturėti iškilimų arba turėti plokščių panašumų, pseudo iškilimų. Juodosios skylės masė paprastai yra trimis dydžiais mažesnė už iškilumo masę – natūralu, jei ji yra. Šį modelį patvirtina stebėjimai, apimantys skyles, kurių masė yra nuo milijono iki milijardo saulės masių.

Pasak profesoriaus Kormendy, galaktikos juodosios skylės įgyja masę dviem būdais. Skylė, apsupta pilnaverčio iškilimo, išauga dėl dujų, kurios į iškilimą patenka iš išorinės galaktikos zonos, absorbcijos. Galaktikų susijungimo metu šių dujų antplūdžio intensyvumas smarkiai padidėja, o tai inicijuoja kvazarų protrūkius.

Dėl to iškilimai ir skylės vystosi lygiagrečiai, o tai paaiškina koreliaciją tarp jų masių (tačiau gali veikti ir kiti, dar nežinomi mechanizmai).

Tyrėjai iš Pitsburgo universiteto, UC Irvine ir Floridos Atlanto universiteto sumodeliavo Paukščių Tako ir Šaulio nykštukinės elipsės galaktikos (SagDEG) pirmtako susidūrimą Šaulyje.

Jie išanalizavo du susidūrimų variantus – su lengvu (3x10¹⁰saulės masės) ir sunkiųjų (10¹¹ saulės masės) SagDEG. Paveiksle pavaizduoti 2,7 milijardo metų Paukščių Tako evoliucijos rezultatai be sąveikos su nykštukine galaktika ir sąveikaujant su lengvuoju ir sunkiuoju SagDEG variantu.

Beplikės galaktikos ir galaktikos su pseudo išsipūtimais yra kitas dalykas. Jų skylių masės paprastai neviršija 104-106 saulės masių. Pasak profesoriaus Kormendy, jie yra maitinami dujomis dėl atsitiktinių procesų, vykstančių šalia skylės, ir nesitęsia per visą galaktiką. Tokia skylė auga nepriklausomai nuo galaktikos evoliucijos ar jos pseudo išsipūtimo, o tai paaiškina koreliacijos tarp jų masių nebuvimą.

Augančios galaktikos

Galaktikos gali padidėti tiek savo dydžiu, tiek mase. „Tolimoje praeityje galaktikos tai darydavo daug efektyviau nei pastaraisiais kosmologiniais laikais“, – aiškina Kalifornijos universiteto Santa Kruze astronomijos ir astrofizikos profesorius Garthas Illingworthas. - Naujų žvaigždžių gimimo greitis apskaičiuojamas pagal metinę žvaigždžių medžiagos masės vieneto (šiuo atveju Saulės masės) gamybą kosmoso tūrio vienetui (dažniausiai kubiniam megaparsekui).

Pirmųjų galaktikų formavimosi metu šis skaičius buvo labai mažas, o vėliau pradėjo sparčiai augti, o tai tęsėsi tol, kol Visatai sukako 2 milijardai metų. Dar 3 milijardus metų jis buvo santykinai pastovus, vėliau pradėjo mažėti beveik proporcingai laikui, ir šis mažėjimas tęsiasi iki šiol. Taigi prieš 7-8 milijardus metų vidutinis žvaigždžių susidarymo greitis buvo 10-20 kartų didesnis nei dabartinis. Dauguma stebimų galaktikų jau buvo visiškai susiformavusios toje tolimoje epochoje.

Paveiksle parodyti evoliucijos rezultatai skirtingais laikais – pradinė konfigūracija (a), po 0, 9 (b), 1, 8 © ir 2, 65 milijardų metų (d). Remiantis modelio skaičiavimais, Paukščių Tako strypas ir spiralinės rankos galėjo susiformuoti dėl susidūrimų su SagDEG, kuris iš pradžių traukė 50–100 milijardų saulės masių.

Du kartus jis praėjo pro mūsų galaktikos diską ir prarado dalį savo materijos (tiek paprastos, tiek tamsios), sukeldamas jo struktūros sutrikimus. Dabartinė SagDEG masė neviršija dešimčių milijonų Saulės masių, o kitas susidūrimas, kurio tikimasi ne vėliau kaip po 100 milijonų metų, jam greičiausiai bus paskutinis.

Apskritai ši tendencija yra suprantama. Galaktikos auga dviem pagrindiniais būdais. Pirma, jie gauna šviežią žvaigždės sprogimo medžiagą, įtraukdami dujų ir dulkių daleles iš aplinkinės erdvės. Keletą milijardų metų po Didžiojo sprogimo šis mechanizmas tinkamai veikė vien dėl to, kad žvaigždžių žaliavos kosmose užteko visiems.

Tada, kai atsargos buvo išeikvotos, žvaigždžių gimimo greitis sumažėjo. Tačiau galaktikos atrado galimybę ją padidinti susidūrimų ir susijungimų metu. Tiesa, kad šis variantas būtų įgyvendintas, susiduriančios galaktikos turi turėti pakankamai tarpžvaigždinio vandenilio. Didelėms elipsinėms galaktikoms, kur jo praktiškai nėra, susiliejimas nepadeda, tačiau diskoidinėse ir netaisyklingose galaktikose tai veikia.

Susidūrimo kursas

Pažiūrėkime, kas atsitiks, kai susilieja dvi maždaug identiškos disko tipo galaktikos. Jų žvaigždės beveik niekada nesusiduria – atstumai tarp jų per dideli. Tačiau kiekvienos galaktikos dujinis diskas patiria potvynių ir atoslūgių jėgas dėl savo kaimyno gravitacijos. Disko barioninė medžiaga praranda dalį kampinio impulso ir pasislenka į galaktikos centrą, kur susidaro sąlygos sparčiai augti žvaigždžių formavimosi greičiui.

Dalį šios medžiagos sugeria juodosios skylės, kurios taip pat įgauna masę. Galutinėje galaktikų susivienijimo fazėje juodosios skylės susilieja, o abiejų galaktikų žvaigždžių diskai praranda savo buvusią struktūrą ir išsisklaido erdvėje. Dėl to iš spiralinių galaktikų poros susidaro viena elipsė. Tačiau tai jokiu būdu nėra pilnas vaizdas. Jaunų ryškių žvaigždžių spinduliuotė gali išpūsti dalį vandenilio iš naujagimio galaktikos.

Tuo pat metu aktyvus dujų kaupimasis ant juodosios skylės pastarąją karts nuo karto verčia į kosmosą paleisti milžiniškos energijos dalelių čiurkšles, kaitinančius dujas visoje galaktikoje ir taip užkertant kelią naujų žvaigždžių formavimuisi. Galaktika pamažu nurimsta – greičiausiai visam laikui.

Skirtingų dydžių galaktikos susiduria skirtingai. Didelė galaktika gali praryti nykštukinę galaktiką (iš karto arba keliais žingsniais) ir tuo pačiu išsaugoti savo struktūrą. Šis galaktinis kanibalizmas taip pat gali paskatinti žvaigždžių formavimąsi.

Nykštukinė galaktika yra visiškai sunaikinta, palikdama žvaigždžių grandines ir kosminių dujų čiurkšles, kurios stebimos tiek mūsų galaktikoje, tiek kaimyninėje Andromedoje. Jei viena iš susidūrusių galaktikų nėra per daug pranašesnė už kitą, galimi dar įdomesni efektai.

Laukiu superteleskopo

Galaktikos astronomija išgyveno beveik šimtmetį. Ji pradėjo praktiškai nuo nulio ir daug pasiekė. Tačiau neišspręstų problemų skaičius yra labai didelis. Mokslininkai daug tikisi iš Jameso Webbo infraraudonųjų spindulių orbitinio teleskopo, kuris turėjo būti paleistas 2021 m.