Galaksernes liv og historien om deres undersøgelse

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Historien om studiet af planeter og stjerner er målt i årtusinder, Solen, kometer, asteroider og meteoritter - i århundreder. Men galakser, spredt over hele universet, klynger af stjerner, kosmiske gas- og støvpartikler, blev først genstand for videnskabelig forskning i 1920'erne.

Galakser er blevet observeret siden umindelige tider. En person med skarpt syn kan skelne mellem lyse pletter på nattehimlen, der ligner mælkedråber. I det 10. århundrede nævnte den persiske astronom Abd-al-Raman al-Sufi i sin Book of Fixed Stars to lignende pletter, nu kendt som Den Store Magellanske Sky og galaksen M31, også kendt som Andromeda.

Med fremkomsten af teleskoper har astronomer observeret flere og flere af disse objekter, kaldet tåger. Hvis den engelske astronom Edmund Halley kun listede seks stjernetåger i 1716, så indeholdt kataloget udgivet i 1784 af den franske flådeastronom Charles Messier allerede 110 - og blandt dem fire dusin rigtige galakser (inklusive M31).

I 1802 udgav William Herschel en liste over 2.500 tåger, og hans søn John udgav et katalog over mere end 5.000 tåger i 1864.

Vores nærmeste nabo, Andromeda-galaksen (M31), er et af de foretrukne himmelobjekter til amatørastronomiske observationer og fotografering.

Arten af disse objekter har længe unddraget sig forståelse. I midten af det 18. århundrede så nogle kræsne sind i sig stjernesystemer, der ligner Mælkevejen, men teleskoper på det tidspunkt gav ikke mulighed for at teste denne hypotese.

Et århundrede senere herskede den opfattelse, at hver tåge er en gassky oplyst indefra af en ung stjerne. Senere blev astronomer overbevist om, at nogle tåger, inklusive Andromeda, indeholder mange stjerner, men i lang tid var det ikke klart, om de er placeret i vores galakse eller udenfor.

Det var først i 1923-1924, at Edwin Hubble fastslog, at afstanden fra Jorden til Andromeda var mindst tre gange diameteren af Mælkevejen (faktisk omkring 20 gange), og at M33, en anden tåge fra Messier-kataloget, ikke var nogen mindre fjernt fra os. afstand. Disse resultater markerede begyndelsen på en ny videnskabelig disciplin - galaktisk astronomi.

I 1926 foreslog den berømte amerikanske astronom Edwin Powell Hubble (og moderniserede i 1936) sin klassificering af galakser efter deres morfologi. På grund af sin karakteristiske form kaldes denne klassifikation også for "Hubbles stemmegaffel".

På stemmegaflens "stamme" er der elliptiske galakser, på gaffelens ben - linseformede galakser uden ærmer og spiralgalakser uden en stangbro og med en stang. Galakser, der ikke kan klassificeres som en af de anførte klasser, kaldes irregulære eller irregulære.

Dværge og kæmper

Universet er fyldt med galakser af forskellig størrelse og masse. Deres antal er kendt meget cirka. I 2004 opdagede Hubble-teleskopet omkring 10.000 galakser på tre og en halv måned og scannede i den sydlige konstellation Fornax et område på himlen, der er hundrede gange mindre end måneskivens areal.

Hvis vi antager, at galakser er fordelt over himmelsfæren med samme tæthed, viser det sig, at der er 200 milliarder i det observerede rum, men dette skøn er stærkt undervurderet, da teleskopet ikke var i stand til at bemærke ret mange meget svage galakser.

Form og indhold

Galakser adskiller sig også i morfologi (det vil sige i form). Generelt er de opdelt i tre hovedklasser - skiveformet, elliptisk og uregelmæssig (uregelmæssig). Dette er en generel klassificering, der er meget mere detaljerede.

Galakser er slet ikke tilfældigt fordelt i det ydre rum. Massive galakser er ofte omgivet af små satellitgalakser. Både vores Mælkevej og nabolandet Andromeda har mindst 14 satellitter, og der er højst sandsynligt mange flere. Galakser elsker at forene sig i par, trillinger og større grupper af snesevis af gravitationsbundne partnere.

De større associationer, galaktiske hobe, indeholder hundreder og tusinder af galakser (den første af sådanne hobe blev opdaget af Messier). Til tider observeres en særlig lys gigantisk galakse i centrum af hoben, som menes at være opstået under sammensmeltningen af mindre galakser.

Og endelig er der også superhobe, som omfatter både galaktiske hobe og grupper, og individuelle galakser. Normalt er disse aflange strukturer op til hundredvis af megaparsecs i længden. De er adskilt af næsten fuldstændigt galaksefrie tomrum af samme størrelse.

Superklynger er ikke længere organiseret i nogen strukturer af højere orden og er spredt ud over hele kosmos på en tilfældig måde. Af denne grund, på en skala på flere hundrede megaparsec, er vores univers homogent og isotropt.

En skiveformet galakse er en stjernepandekage, der kredser om en akse, der går gennem dens geometriske centrum. Normalt på begge sider af pandekagens centrale zone er der en oval bule (fra den engelske bule). Udbulningen roterer også, men med en lavere vinkelhastighed end skiven. I skivens plan observeres ofte spiralgrene, der bugner af relativt unge lyse armaturer. Der er dog galaktiske skiver uden spiralstruktur, hvor der er mange færre sådanne stjerner.

Den centrale zone af en skiveformet galakse kan skæres af en stjernestang - en stang. Rummet inde i skiven er fyldt med et gas- og støvmedium - kildematerialet til nye stjerner og planetsystemer. Galaksen har to skiver: stjernernes og gasformige.

De er omgivet af en galaktisk glorie - en sfærisk sky af fortærnet varm gas og mørkt stof, som yder hovedbidraget til galaksens samlede masse. Haloen indeholder også individuelle gamle stjerner og kugleformede stjernehobe (kuglehobe) op til 13 milliarder år gamle. I midten af næsten enhver skiveformet galakse, med eller uden en bule, er der et supermassivt sort hul. De største galakser af denne type indeholder hver 500 milliarder stjerner.

Mælkevejen

Solen kredser om midten af en ganske almindelig spiralgalakse, som omfatter 200-400 milliarder stjerner. Dens diameter er cirka 28 kiloparsecs (lidt over 90 lysår). Radius af solens intragalaktiske kredsløb er 8,5 kiloparsecs (så vores stjerne er forskudt til den ydre kant af den galaktiske skive), tidspunktet for en fuldstændig omdrejning omkring centrum af galaksen er omkring 250 millioner år.

Mælkevejens bule er elliptisk i form og har en stang, der for nylig blev opdaget. I midten af bulen er en kompakt kerne fyldt med stjerner i forskellige aldre - fra flere millioner år til en milliard og ældre. Inde i kernen, bag tætte støvede skyer, ligger et ret beskedent sort hul efter galaktiske standarder - kun 3,7 millioner solmasser.

Vores Galaxy kan prale af en dobbelt stjerneskive. Den indre skive, som ikke har mere end 500 parsecs lodret, tegner sig for 95 % af stjernerne i skivezonen, inklusive alle unge klare stjerner. Det er omgivet af en ydre skive på 1.500 parsecs tyk, hvor ældre stjerner lever. Mælkevejens gasformige (mere præcist, gas-støv) skive er mindst 3,5 kiloparsecs tyk. Skivens fire spiralarme er områder med øget tæthed af gas-støvmediet og indeholder de fleste af de mest massive stjerner.

Diameteren af Mælkevejens glorie er mindst dobbelt så stor som skivens diameter. Omkring 150 kuglehobe er blevet opdaget der, og højst sandsynligt er omkring 50 flere endnu ikke blevet opdaget. De ældste klynger er over 13 milliarder år gamle. Haloen er fyldt med mørkt stof med en klumpet struktur.

Indtil for nylig blev det troet, at haloen er næsten sfærisk, men ifølge de seneste data kan den blive betydeligt flad. Galaksens samlede masse kan være op til 3 billioner solmasser, hvor mørkt stof tegner sig for 90-95%. Massen af stjerner i Mælkevejen er anslået til 90-100 milliarder gange Solens masse.

En elliptisk galakse er, som navnet antyder, ellipseformet. Den roterer ikke som en helhed og har derfor ikke aksial symmetri. Dens stjerner, som for det meste har en relativt lav masse og en betydelig alder, kredser om det galaktiske centrum i forskellige planer og nogle gange ikke individuelt, men i meget aflange kæder.

Nye armaturer i elliptiske galakser lyser sjældent op på grund af mangel på råmaterialer - molekylært brint.

Ligesom mennesker er galakser grupperet sammen. Vores lokale gruppe omfatter de to største galakser i nærheden af omkring 3 megaparsecs - Mælkevejen og Andromeda (M31), Triangulum galaksen, såvel som deres satellitter - de store og små magellanske skyer, dværggalakser i Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix og mange andre - i alt omkring halvtreds. Den lokale gruppe er til gengæld medlem af den lokale Jomfru-superklynge.

Både de største og de mindste galakser er af den elliptiske type. Den samlede andel af dets repræsentanter i universets galaktiske befolkning er kun omkring 20%. Disse galakser (med mulig undtagelse af de mindste og svageste) skjuler også supermassive sorte huller i deres centrale zoner. Elliptiske galakser har også glorier, men ikke så klare som dem af skiveformede.

Alle andre galakser betragtes som uregelmæssige. De indeholder meget støv og gas og producerer aktivt unge stjerner. Der er få sådanne galakser i moderate afstande fra Mælkevejen, kun 3%.

Men blandt objekter med en stor rødforskydning, hvis lys blev udsendt senest 3 milliarder år efter Big Bang, stiger deres andel kraftigt. Tilsyneladende var alle stjernesystemer af den første generation små og havde uregelmæssige konturer, og store skiveformede og elliptiske galakser opstod meget senere.

Fødsel af galakser

Galakser blev født kort efter stjerner. Det menes, at de første armaturer blinkede senest 150 millioner år efter Big Bang. I januar 2011 rapporterede et hold astronomer, der behandlede oplysninger fra Hubble-rumteleskopet, den sandsynlige observation af en galakse, hvis lys gik ud i rummet 480 millioner år efter Big Bang.

I april opdagede et andet forskerhold en galakse, der efter al sandsynlighed allerede var fuldt dannet, da det unge univers var omkring 200 millioner år gammelt.

Betingelserne for fødslen af stjerner og galakser opstod længe før det begyndte. Da universet passerede de 400.000 år, blev plasma i det ydre rum erstattet af en blanding af neutral helium og brint. Denne gas var stadig for varm til at smelte sammen i de molekylære skyer, der giver anledning til stjerner.

Det var dog ved siden af partikler af mørkt stof, i begyndelsen fordelt i rummet ikke helt jævnt - hvor det er lidt tættere, hvor det er mere sjældent. De interagerede ikke med den baryoniske gas og kollapsede derfor frit under påvirkning af gensidig tiltrækning i zoner med øget tæthed.

Ifølge modelberegninger blev der inden for hundrede millioner år efter Big Bang dannet skyer af mørkt stof på størrelse med det nuværende solsystem i rummet. De kombinerede i større strukturer, på trods af udvidelsen af rummet. Sådan opstod klyngerne af mørke stofskyer, og derefter klyngerne af disse klynger. De sugede rumgas til sig, så den blev tykkere og kollapsede.

På den måde dukkede de første supermassive stjerner op, som hurtigt eksploderede i supernovaer og efterlod sorte huller. Disse eksplosioner berigede rummet med grundstoffer, der var tungere end helium, hvilket hjalp med at afkøle de kollapsende gasskyer og derfor muliggjorde fremkomsten af mindre massive andengenerationsstjerner.

Sådanne stjerner kunne allerede eksistere i milliarder af år og var derfor i stand til at danne (igen ved hjælp af mørkt stof) gravitationsbundne systemer. Sådan opstod langlivede galakser, inklusive vores.

"Mange af detaljerne i galaktogenese er stadig skjult i tågen," siger John Kormendy. - Det gælder især rollen som sorte huller. Deres masser spænder fra titusindvis af solmasser til den nuværende absolutte rekord på 6,6 milliarder solmasser, der tilhører et sort hul fra kernen af den elliptiske galakse M87, der ligger 53,5 millioner lysår fra Solen.

Huller i centrene af elliptiske galakser er normalt omgivet af buler, der består af gamle stjerner. Spiralgalakser har muligvis ingen buler overhovedet eller har deres flade ligheder, pseudo-buler. Massen af et sort hul er normalt tre størrelsesordener mindre end massen af bulen - naturligvis, hvis den er til stede. Dette mønster bekræftes af observationer, der dækker huller med en masse fra en million til en milliard solmasser."

Ifølge professor Kormendy får galaktiske sorte huller masse på to måder. Hullet, omgivet af en fuldgyldig bule, vokser på grund af absorptionen af gas, der kommer til bulen fra galaksens ydre zone. Under sammensmeltningen af galakser stiger intensiteten af tilstrømningen af denne gas kraftigt, hvilket igangsætter udbrud af kvasarer.

Som et resultat udvikler buler og huller sig parallelt, hvilket forklarer sammenhængen mellem deres masser (dog kan andre, endnu ukendte mekanismer også fungere).

Forskere fra University of Pittsburgh, UC Irvine og Atlantic University of Florida har modelleret kollisionen mellem Mælkevejen og forgængeren til Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy (SagDEG) i Skytten.

De analyserede to muligheder for kollisioner - med en let (3x10¹⁰solmasser) og tunge (10¹¹ solmasser) SagDEG. Figuren viser resultaterne af 2,7 milliarder års udvikling af Mælkevejen uden interaktion med en dværggalakse og med interaktion med den lette og tunge variant af SagDEG.

Skaldede-fri galakser og galakser med pseudo-buler er en anden sag. Masserne af deres huller overstiger normalt ikke 104-106 solmasser. Ifølge professor Kormendy bliver de fodret med gas på grund af tilfældige processer, der forekommer nær hullet, og strækker sig ikke over hele galaksen. Et sådant hul vokser uanset galaksens udvikling eller dens pseudo-bule, hvilket forklarer manglen på korrelation mellem deres masser.

Voksende galakser

Galakser kan øges både i størrelse og masse. "I en fjern fortid gjorde galakser dette meget mere effektivt end i de seneste kosmologiske epoker," forklarer Garth Illingworth, professor i astronomi og astrofysik ved University of California, Santa Cruz. - Fødselshastigheden for nye stjerner estimeres ud fra den årlige produktion af en enhedsmasse af stjernestof (i denne egenskab Solens masse) pr. volumenenhed af det ydre rum (normalt en kubisk megaparsec).

På tidspunktet for dannelsen af de første galakser var dette tal meget lille og begyndte derefter at vokse hurtigt, hvilket fortsatte, indtil universet var 2 milliarder år gammelt. I yderligere 3 milliarder år var det relativt konstant, og begyndte derefter at falde næsten i forhold til tiden, og dette fald fortsætter den dag i dag. Så for 7-8 milliarder år siden var den gennemsnitlige stjernedannelseshastighed 10-20 gange højere end den nuværende. De fleste observerbare galakser var allerede fuldt dannet i den fjerne epoke."

Figuren viser resultaterne af evolution på forskellige tidspunkter - den indledende konfiguration (a), efter 0, 9 (b), 1, 8 © og 2, 65 milliarder år (d). Ifølge modelberegninger kunne Mælkevejens stang og spiralarme være dannet som følge af kollisioner med SagDEG, som i første omgang trak 50-100 milliarder solmasser.

To gange passerede den gennem disken i vores galakse og mistede noget af sit stof (både almindeligt og mørkt), hvilket forårsagede forstyrrelser i dens struktur. Den nuværende masse af SagDEG overstiger ikke titusinder af solmasser, og det næste sammenstød, som forventes senest 100 millioner år senere, bliver højst sandsynligt det sidste for det.

Generelt er denne tendens forståelig. Galakser vokser på to hovedmåder. Først får de friskt stjerneskudsmateriale ved at trække gas- og støvpartikler ind fra det omgivende rum. I flere milliarder år efter Big Bang fungerede denne mekanisme ordentligt, simpelthen fordi der var nok stjerneråmateriale i rummet til alle.

Derefter, da reserverne var opbrugt, faldt antallet af stjerners fødsel. Imidlertid har galakser fundet evnen til at øge den gennem kollisioner og fusioner. Sandt nok, for at denne mulighed kan realiseres, skal de kolliderende galakser have en anstændig forsyning af interstellar brint. For store elliptiske galakser, hvor den praktisk talt er væk, hjælper sammensmeltning ikke, men i diskoide og uregelmæssige galakser fungerer det.

Kollisionskurs

Lad os se, hvad der sker, når to omtrent identiske galakser af disktype smelter sammen. Deres stjerner støder næsten aldrig sammen – afstandene mellem dem er for store. Imidlertid oplever gasskiven i hver galakse tidevandskræfter på grund af sin nabos tyngdekraft. Skivens baryoniske stof mister en del af vinkelmomentet og flytter sig til galaksens centrum, hvor betingelserne for en eksplosiv vækst i stjernedannelseshastigheden opstår.

Noget af dette stof absorberes af sorte huller, som også får masse. I slutfasen af foreningen af galakser smelter sorte huller sammen, og begge galaksers stjerneskiver mister deres tidligere struktur og spredes i rummet. Som et resultat dannes en ellipseformet af et par spiralgalakser. Men dette er på ingen måde det komplette billede. Stråling fra unge klare stjerner kan blæse noget af brinten ud af den nyfødte galakse.

Samtidig tvinger den aktive ophobning af gas på det sorte hul sidstnævnte fra tid til anden til at skyde stråler af enorme energipartikler ud i rummet, opvarme gas i hele galaksen og dermed forhindre dannelsen af nye stjerner. Galaksen bliver gradvist stille - højst sandsynligt for altid.

Galakser af forskellig størrelse kolliderer forskelligt. En stor galakse er i stand til at sluge en dværggalakse (på én gang eller i flere trin) og samtidig bevare sin egen struktur. Denne galaktiske kannibalisme kan også stimulere stjernedannelsen.

Dværggalaksen er fuldstændig ødelagt og efterlader kæder af stjerner og stråler af kosmisk gas, som observeres både i vores galakse og i nabolandet Andromeda. Hvis en af de kolliderende galakser ikke er den anden for overlegen, er endnu mere interessante effekter mulige.

Venter på superteleskopet

Galaktisk astronomi overlevede næsten et århundrede. Hun startede praktisk talt fra bunden og nåede meget. Antallet af uløste problemer er dog meget stort. Forskere forventer meget af James Webb Infrared Orbiting Telescope, som var planlagt til at blive opsendt i 2021.