Življenje galaksij in zgodovina njihovega preučevanja

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Zgodovina proučevanja planetov in zvezd se meri v tisočletjih, Sonce, kometi, asteroidi in meteoriti - v stoletjih. Toda galaksije, raztresene po vesolju, kopice zvezd, kozmični plin in prah, so postale predmet znanstvenih raziskav šele v dvajsetih letih prejšnjega stoletja.

Galaksije so opazovali že od nekdaj. Oseba z ostrim vidom lahko na nočnem nebu loči svetle lise, podobne kapljicam mleka. V 10. stoletju je perzijski astronom Abd-al-Raman al-Sufi v svoji Knjigi nepremičnih zvezd omenil dve podobni točki, zdaj znani kot Veliki Magellanov oblak in galaksija M31, imenovana Andromeda.

S prihodom teleskopov so astronomi opazovali vse več teh objektov, imenovanih meglice. Če je angleški astronom Edmund Halley leta 1716 naštel le šest meglic, je katalog, ki ga je leta 1784 izdal francoski pomorski astronom Charles Messier, vseboval že 110 - in med njimi štiri ducate resničnih galaksij (vključno z M31).

Leta 1802 je William Herschel objavil seznam 2500 meglic, njegov sin John pa je leta 1864 objavil katalog več kot 5000 meglic.

Naša najbližja soseda, galaksija Andromeda (M31), je eden izmed najljubših nebesnih objektov za ljubiteljska astronomska opazovanja in fotografiranje.

Narava teh predmetov se je dolgo izmikala razumevanju. Sredi 18. stoletja so nekateri pronicljivi umi v njih videli zvezdne sisteme, podobne Rimski cesti, vendar teleskopi takrat niso dali možnosti za preverjanje te hipoteze.

Stoletje pozneje je prevladalo mnenje, da je vsaka meglica plinski oblak, ki ga od znotraj osvetli mlada zvezda. Kasneje so bili astronomi prepričani, da nekatere meglice, vključno z Andromedo, vsebujejo veliko zvezd, vendar dolgo ni bilo jasno, ali se nahajajo v naši galaksiji ali zunaj nje.

Edwin Hubble je šele v letih 1923-1924 ugotovil, da je razdalja od Zemlje do Andromede vsaj trikrat večja od premera Rimske ceste (pravzaprav približno 20-krat) in da M33, druga meglica iz kataloga Messier, ni bila manj oddaljeni od nas.razdalja. Ti rezultati so pomenili začetek nove znanstvene discipline - galaktične astronomije.

Leta 1926 je slavni ameriški astronom Edwin Powell Hubble predlagal (in leta 1936 posodobil) svojo klasifikacijo galaksij po njihovi morfologiji. Zaradi svoje značilne oblike se ta klasifikacija imenuje tudi "Hubble tuning fork".

Na "steblu" vilice so eliptične galaksije, na rogovih vilic - lečaste galaksije brez rokavov in spiralne galaksije brez paličnega mostu in s palico. Galaksije, ki jih ni mogoče uvrstiti v enega od naštetih razredov, imenujemo nepravilne ali nepravilne.

Škrati in velikani

Vesolje je polno galaksij različnih velikosti in mas. Njihovo število je znano zelo približno. Leta 2004 je orbitalni teleskop Hubble odkril približno 10.000 galaksij v treh mesecih in pol, pri čemer je v južnem ozvezdju Fornax skeniral območje neba, ki je stokrat manjše od površine luninega diska.

Če predpostavimo, da so galaksije razporejene po nebesni sferi z enako gostoto, se izkaže, da jih je v opazovanem prostoru 200 milijard, vendar je ta ocena močno podcenjena, saj teleskop ni mogel opaziti velikega števila zelo šibkih galaksij..

Oblika in vsebina

Galaksije se razlikujejo tudi po morfologiji (to je po obliki). Na splošno so razdeljeni v tri glavne razrede - diskaste, eliptične in nepravilne (nepravilne). To je splošna klasifikacija, obstaja veliko bolj podrobna.

Galaksije v vesolju sploh niso naključno razporejene. Masivne galaksije so pogosto obkrožene z majhnimi satelitskimi galaksijami. Tako naša Rimska cesta kot sosednja Andromeda imata vsaj 14 satelitov, najverjetneje pa jih je veliko več. Galaksije se radi združujejo v pare, trojke in večje skupine na desetine gravitacijsko vezanih partnerjev.

Večje asociacije, galaktične kopice, vsebujejo na stotine in tisoče galaksij (prvo od takšnih kopic je odkril Messier). Včasih se v središču kopice opazi še posebej svetla velikanska galaksija, za katero se domneva, da je nastala med združevanjem manjših galaksij.

In končno, obstajajo tudi superjate, ki vključujejo tako galaktične kopice in skupine, kot posamezne galaksije. Običajno so to podolgovate strukture do več sto megaparsekov dolžine. Ločeni so s skoraj popolnoma brez galaksij enake velikosti vesoljskih praznin.

Superjače niso več organizirane v nobene strukture višjega reda in so naključno razpršene po vesolju. Zaradi tega je naše vesolje na lestvici več sto megaparsekov homogeno in izotropno.

Galaksija v obliki diska je zvezdna palačinka, ki se vrti okoli osi, ki poteka skozi njeno geometrijsko središče. Običajno je na obeh straneh osrednje cone palačinke ovalna izboklina (iz angleške izbokline). Tudi izboklina se vrti, vendar z nižjo kotno hitrostjo kot disk. V ravnini diska pogosto opazimo spiralne veje, ki obilujejo sorazmerno mladih svetlih svetilk. Vendar pa obstajajo galaktični diski brez spiralne strukture, kjer je takšnih zvezd veliko manj.

Osrednjo cono galaksije v obliki diska je mogoče prerezati z zvezdno palico - palico. Prostor znotraj diska je napolnjen s plinom in prašnim medijem - izvornim materialom za nove zvezde in planetarne sisteme. Galaksija ima dva diska: zvezdni in plinasti.

Obdaja jih galaktični halo - sferični oblak redčenega vročega plina in temne snovi, ki daje glavni prispevek k skupni masi galaksije. Halo vsebuje tudi posamezne stare zvezde in kroglaste zvezdne kopice (kroglaste kopice), stare do 13 milijard let. V središču skoraj vsake galaksije v obliki diska, z ali brez izbokline, je supermasivna črna luknja. Največje galaksije te vrste vsebujejo po 500 milijard zvezd.

mlečna cesta

Sonce se vrti okoli središča povsem običajne spiralne galaksije, ki vključuje 200-400 milijard zvezd. Njegov premer je približno 28 kiloparsekov (nekaj več kot 90 svetlobnih let). Polmer sončne intragalaktične orbite je 8,5 kiloparseka (tako da je naša zvezda premaknjena na zunanji rob galaktičnega diska), čas popolne revolucije okoli središča Galaksije je približno 250 milijonov let.

Izboklina Rimske ceste je eliptične oblike in ima palico, ki je bila nedavno odkrita. V središču izbokline je kompaktno jedro, napolnjeno z zvezdami različnih starosti - od nekaj milijonov let do milijarde in več. V notranjosti jedra, za gostimi prašnimi oblaki, leži po galaktičnih standardih precej skromna črna luknja - le 3,7 milijona sončnih mas.

Naša galaksija se ponaša z dvojnim zvezdnim diskom. Notranji disk, ki ima navpično največ 500 parsekov, predstavlja 95 % zvezd v območju diska, vključno z vsemi mladimi svetlimi zvezdami. Obdaja ga zunanji disk, debel 1500 parsekov, kjer živijo starejše zvezde. Plinasti (natančneje, plinsko-prašni) disk Rimske ceste je debel vsaj 3,5 kiloparseka. Štirje spiralni kraki diska so območja povečane gostote plinsko-prašnega medija in vsebujejo večino najbolj masivnih zvezd.

Premer haloja Rimske ceste je vsaj dvakrat večji od premera diska. Tam so odkrili okoli 150 kroglastih kopic, najverjetneje pa še okoli petdeset še niso odkrili. Najstarejše kopice so stare več kot 13 milijard let. Halo je napolnjen s temno snovjo z grudasto strukturo.

Do nedavnega je veljalo, da je halo skoraj sferičen, vendar je po najnovejših podatkih lahko znatno sploščen. Skupna masa Galaksije je lahko do 3 trilijone sončnih mas, pri čemer temna snov predstavlja 90-95%. Masa zvezd v Rimski cesti je ocenjena na 90-100 milijard krat večjo od mase Sonca.

Eliptična galaksija, kot že ime pove, je elipsoidna. Ne vrti se kot celota in zato nima osne simetrije. Njegove zvezde, ki imajo večinoma relativno majhno maso in precejšnjo starost, se vrtijo okoli galaktičnega središča v različnih ravninah in včasih ne posamezno, temveč v zelo podolgovatih verigah.

Nove svetilke v eliptičnih galaksijah zaradi pomanjkanja surovine – molekularnega vodika, redko zasvetijo.

Tako kot ljudje so galaksije združene v skupine. Naša lokalna skupina vključuje dve največji galaksiji v bližini približno 3 megaparsekov - Rimsko cesto in Andromedo (M31), galaksijo Trikotnik, pa tudi njune satelite - Veliki in Mali Magellanov oblak, pritlikave galaksije v Velikem psu, Pegaz, Carina, Sextant, Phoenix in mnogi drugi - skupaj približno petdeset. Lokalna skupina pa je članica lokalne supergrode Device.

Tako največja kot najmanjša galaksija sta eliptičnega tipa. Skupni delež njegovih predstavnikov v galaktični populaciji vesolja je le približno 20%. Te galaksije (z možno izjemo najmanjših in najšibkejših) v svojih osrednjih conah skrivajo tudi supermasivne črne luknje. Eliptične galaksije imajo tudi haloje, vendar ne tako jasne kot tiste v obliki diska.

Vse druge galaksije veljajo za nepravilne. Vsebujejo veliko prahu in plina ter aktivno proizvajajo mlade zvezde. Takšnih galaksij je na zmernih razdaljah od Rimske ceste malo, le 3%.

Toda med predmeti z velikim rdečim premikom, katerih svetloba je bila oddana najkasneje 3 milijarde let po velikem poku, se njihov delež močno poveča. Očitno so bili vsi zvezdni sistemi prve generacije majhni in so imeli nepravilne obrise, velike diskaste in eliptične galaksije pa so nastale veliko pozneje.

Rojstvo galaksij

Galaksije so se rodile kmalu za zvezdami. Menijo, da so prve svetilke utripale najkasneje 150 milijonov let po velikem poku. Januarja 2011 je skupina astronomov, ki obdeluje informacije iz vesoljskega teleskopa Hubble, poročala o verjetnem opazovanju galaksije, katere svetloba je šla v vesolje 480 milijonov let po velikem poku.

Aprila je druga raziskovalna skupina odkrila galaksijo, ki je bila po vsej verjetnosti že v celoti oblikovana, ko je bilo mlado vesolje staro približno 200 milijonov let.

Pogoji za rojstvo zvezd in galaksij so se pojavili že veliko preden se je začelo. Ko je vesolje preseglo mejo 400.000 let, je bila plazma v vesolju zamenjana z mešanico nevtralnega helija in vodika. Ta plin je bil še prevroč, da bi se združil v molekularne oblake, ki povzročajo zvezde.

Vendar pa je mejil na delce temne snovi, sprva porazdeljene v prostoru ne povsem enakomerno - kjer je nekoliko gostejša, kjer je bolj redka. Niso sodelovali z barionskim plinom in so se zato pod vplivom medsebojnega privlačenja prosto zrušili v območja povečane gostote.

Po modelskih izračunih so se v sto milijonih letih po velikem poku v vesolju oblikovali oblaki temne snovi velikosti trenutnega sončnega sistema. Združili so se v večje strukture, kljub širjenju prostora. Tako so nastali grozdi oblakov temne snovi, nato pa grozdi teh grozdov. Posrkali so vesoljski plin, kar je omogočilo, da se zgosti in sesede.

Tako so se pojavile prve supermasivne zvezde, ki so hitro eksplodirale v supernove in za seboj pustile črne luknje. Te eksplozije so obogatile vesolje z elementi, težjimi od helija, ki so pomagali ohladiti razpadajoče plinske oblake in tako omogočili pojav manj masivnih zvezd druge generacije.

Takšne zvezde so lahko obstajale že milijarde let in so zato lahko tvorile (spet s pomočjo temne snovi) gravitacijsko vezane sisteme. Tako so nastale dolgožive galaksije, tudi naša.

"Številne podrobnosti galaktogeneze so še vedno skrite v megli," pravi John Kormendy. - To še posebej velja za vlogo črnih lukenj. Njihove mase segajo od deset tisoč sončnih mas do trenutnega absolutnega rekorda 6,6 milijarde sončnih mas, ki pripadajo črni luknji iz jedra eliptične galaksije M87, ki se nahaja 53,5 milijona svetlobnih let od Sonca.

Luknje v središčih eliptičnih galaksij so običajno obkrožene z izboklinami, sestavljenimi iz starih zvezd. Spiralne galaksije morda sploh nimajo izboklin ali pa imajo svoje ploščate podobnosti, psevdo-izbokline. Masa črne luknje je običajno tri reda velikosti manjša od mase izbokline - seveda, če je prisotna. Ta vzorec potrjujejo opazovanja, ki pokrivajo luknje z maso od milijona do milijarde sončnih mas."

Po mnenju profesorja Kormendyja galaktične črne luknje pridobijo maso na dva načina. Luknja, obdana s polno izboklino, raste zaradi absorpcije plina, ki prihaja na izboklino iz zunanjega območja galaksije. Med združevanjem galaksij se intenzivnost dotoka tega plina močno poveča, kar sproži izbruhe kvazarjev.

Posledično se vzporedno razvijajo izbokline in luknje, kar pojasnjuje korelacijo med njunima masama (vendar lahko delujejo tudi drugi, še neznani mehanizmi).

Raziskovalci z Univerze v Pittsburghu, UC Irvine in Univerze Atlantic na Floridi so modelirali trčenje Rimske ceste in predhodnice pritlikave eliptične galaksije Strelca (SagDEG) v Strelcu.

Analizirali so dve možnosti za trke - z enostavnim (3x10¹⁰sončne mase) in težke (10¹¹ sončne mase) SagDEG. Slika prikazuje rezultate 2,7 milijarde let evolucije Rimske ceste brez interakcije s pritlikavo galaksijo in z interakcijo z lahko in težko različico SagDEG.

Galaksije brez plešasti in galaksije s psevdo-izboklinami so druga zadeva. Mase njihovih lukenj običajno ne presegajo 104-106 sončnih mas. Po besedah profesorja Kormendyja se napajajo s plinom zaradi naključnih procesov, ki se pojavljajo v bližini luknje in se ne raztezajo po celotni galaksiji. Takšna luknja raste ne glede na evolucijo galaksije ali njeno psevdo-izboklino, kar pojasnjuje pomanjkanje korelacije med njihovimi masami.

Rastoče galaksije

Galaksije se lahko povečajo tako po velikosti kot po masi. "V daljni preteklosti so galaksije to delale veliko bolj učinkovito kot v zadnjih kozmoloških obdobjih," pojasnjuje Garth Illingworth, profesor astronomije in astrofizike na kalifornijski univerzi Santa Cruz. - Stopnja rojstva novih zvezd je ocenjena glede na letno proizvodnjo enote mase zvezdne snovi (v tej zmogljivosti mase Sonca) na enoto prostornine vesolja (običajno kubični megaparsek).

V času nastanka prvih galaksij je bila ta številka zelo majhna, nato pa je začela hitro rasti, kar se je nadaljevalo, dokler Vesolje ni bilo staro 2 milijardi let. Še 3 milijarde let je bil razmeroma konstanten, nato je začel upadati skoraj sorazmerno s časom in ta upad se nadaljuje še danes. Tako je bila pred 7-8 milijardami let povprečna stopnja nastajanja zvezd 10-20-krat višja od trenutne. Večina opaznih galaksij je bila že v celoti oblikovana v tej oddaljeni dobi."

Slika prikazuje rezultate evolucije v različnih časih - začetna konfiguracija (a), po 0, 9 (b), 1, 8 © in 2, 65 milijard let (d). Glede na modelne izračune bi lahko palica in spiralni kraki Rimske ceste nastala kot posledica trkov s SagDEG, ki je sprva potegnil 50-100 milijard sončnih mas.

Dvakrat je šel skozi disk naše Galaksije in izgubil nekaj svoje snovi (tako navadne kot temne), kar je povzročilo motnje v njeni strukturi. Trenutna masa SagDEG ne presega desetine milijonov sončnih mas, naslednji trk, ki ga pričakujemo najkasneje 100 milijonov let pozneje, bo zanj najverjetneje zadnji.

Na splošno je ta trend razumljiv. Galaksije rastejo na dva glavna načina. Najprej pridobijo svež material za zvezdne utripe, tako da vlečejo plinske in prašne delce iz okoliškega prostora. Nekaj milijard let po velikem poku je ta mehanizem pravilno deloval preprosto zato, ker je bilo zvezdnih surovin v vesolju dovolj za vse.

Potem, ko so bile rezerve izčrpane, je stopnja rojstva zvezd padla. Vendar pa so galaksije odkrile sposobnost, da jo povečajo s trki in združitvami. Res je, da se ta možnost uresniči, morajo trkajoče galaksije imeti dostojno zalogo medzvezdnega vodika. Pri velikih eliptičnih galaksijah, kjer ga tako rekoč ni več, združevanje ne pomaga, v diskoidnih in nepravilnih galaksijah pa deluje.

Tečaj trka

Poglejmo, kaj se zgodi, ko se dve približno enaki galaksiji diska združita. Njune zvezde skoraj nikoli ne trčijo – razdalje med njima so prevelike. Vendar pa plinasti disk vsake galaksije doživlja plimske sile zaradi gravitacije svoje sosede. Barionska snov diska izgubi del kotne količine in se premakne v središče galaksije, kjer nastanejo pogoji za eksplozivno rast hitrosti nastajanja zvezd.

Nekaj te snovi absorbirajo črne luknje, ki prav tako pridobijo na masi. V zadnji fazi združitve galaksij se črne luknje združijo, zvezdni diski obeh galaksij pa izgubijo svojo prejšnjo strukturo in se razpršijo v vesolju. Posledično se iz para spiralnih galaksij oblikuje ena eliptična. Toda to še zdaleč ni popolna slika. Sevanje mladih svetlih zvezd lahko odpihne nekaj vodika iz novorojene galaksije.

Hkrati aktivno nabiranje plina na črno luknjo slednjo od časa do časa prisili, da v vesolje izstreli curke ogromnih energijskih delcev, ki segrevajo plin po vsej galaksiji in tako preprečujejo nastanek novih zvezd. Galaksija postopoma utihne – najverjetneje za vedno.

Galaksije različnih velikosti trčijo različno. Velika galaksija je sposobna pogoltniti pritlikavo galaksijo (naenkrat ali v več korakih) in hkrati ohraniti lastno strukturo. Ta galaktični kanibalizem lahko tudi spodbudi nastanek zvezd.

Pritlikava galaksija je popolnoma uničena, za seboj pa ostanejo verige zvezd in curki kozmičnega plina, ki jih opazimo tako v naši galaksiji kot v sosednji Andromedi. Če ena od trkajočih se galaksij ni preveč boljša od druge, so možni še bolj zanimivi učinki.

Čakam na super teleskop

Galaktična astronomija je preživela skoraj stoletje. Začela je praktično iz nič in dosegla veliko. Vendar pa je število nerešenih problemov zelo veliko. Znanstveniki veliko pričakujejo od infrardečega orbitalnega teleskopa James Webb, ki naj bi bil lansiran leta 2021.