Život galaksija i istorija njihovog proučavanja

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Istorija proučavanja planeta i zvezda meri se milenijumima, Sunca, kometa, asteroida i meteorita - vekovima. Ali galaksije, raštrkane po svemiru, jata zvijezda, kosmičke čestice plina i prašine, postale su predmet naučnih istraživanja tek 1920-ih.

Galaksije se posmatraju od pamtiveka. Osoba sa oštrim vidom može razlikovati svjetlosne mrlje na noćnom nebu, slične kapljicama mlijeka. U 10. vijeku, perzijski astronom Abd-al-Raman al-Sufi spomenuo je u svojoj Knjizi fiksnih zvijezda dvije slične točke, danas poznate kao Veliki Magelanov oblak i galaksija M31, zvana Andromeda.

Sa pojavom teleskopa, astronomi su posmatrali sve više ovih objekata, nazvanih maglinama. Ako je engleski astronom Edmund Halley naveo samo šest maglina 1716. godine, onda je katalog koji je 1784. objavio francuski pomorski astronom Charles Messier već sadržavao 110 - a među njima i četiri desetine stvarnih galaksija (uključujući M31).

Godine 1802. William Herschel je objavio listu od 2.500 maglina, a njegov sin John je objavio katalog od više od 5.000 maglina 1864. godine.

Naš najbliži susjed, galaksija Andromeda (M31), jedan je od omiljenih nebeskih objekata za amaterska astronomska posmatranja i fotografije.

Priroda ovih objekata dugo je izmicala razumijevanju. Sredinom 18. vijeka, neki pronicljivi umovi vidjeli su u njima zvjezdane sisteme slične Mliječnom putu, ali teleskopi u to vrijeme nisu pružili priliku da se provjeri ova hipoteza.

Stoljeće kasnije zavladalo je mišljenje da je svaka maglina oblak plina kojeg iznutra obasjava mlada zvijezda. Kasnije su astronomi bili uvjereni da neke magline, uključujući Andromedu, sadrže mnogo zvijezda, ali dugo nije bilo jasno da li se one nalaze u našoj galaksiji ili izvan nje.

Tek je 1923-1924 Edwin Hubble utvrdio da je udaljenost od Zemlje do Andromede najmanje tri puta veća od prečnika Mliječnog puta (u stvari, oko 20 puta) i da M33, još jedna maglina iz Messierovog kataloga, nije bila manje udaljeni od nas. Ovi rezultati označili su početak nove naučne discipline - galaktičke astronomije.

Godine 1926., poznati američki astronom Edwin Powell Hubble predložio je (i 1936. modernizirao) svoju klasifikaciju galaksija prema njihovoj morfologiji. Zbog svog karakterističnog oblika, ova klasifikacija se naziva i "Hubble tuning fork".

Na „stabljici“kamertona nalaze se eliptične galaksije, na zupcima viljuške - lentikularne galaksije bez rukava i spiralne galaksije bez šipke-mosta i sa šipkom. Galaksije koje se ne mogu svrstati u jednu od navedenih klasa nazivaju se nepravilnim, odnosno nepravilnim.

Patuljci i divovi

Univerzum je ispunjen galaksijama različitih veličina i masa. Njihov broj je poznat vrlo približno. 2004. godine, orbitalni teleskop Hubble otkrio je oko 10.000 galaksija za tri i po mjeseca, skenirajući u južnom sazviježđu Fornax dio neba koji je sto puta manji od površine Mjesečevog diska.

Ako pretpostavimo da su galaksije raspoređene po nebeskoj sferi sa istom gustinom, ispada da ih u posmatranom prostoru ima 200 milijardi, međutim ova procjena je jako potcijenjena, jer teleskop nije mogao uočiti veliki broj vrlo slabih galaksija..

Forma i sadržaj

Galaksije se također razlikuju po morfologiji (odnosno po obliku). Općenito se dijele u tri glavne klase - diskaste, eliptične i nepravilne (nepravilne). Ovo je opšta klasifikacija, ima mnogo detaljnijih.

Galaksije uopće nisu nasumično raspoređene u svemiru. Masivne galaksije često su okružene malim satelitskim galaksijama. I naš Mliječni put i susjedna Andromeda imaju najmanje 14 satelita, a najvjerovatnije ih ima mnogo više. Galaksije se vole ujedinjavati u parove, trojke i veće grupe od desetina gravitaciono vezanih partnera.

Veće asocijacije, galaktička jata, sadrže stotine i hiljade galaksija (prvo od takvih jata otkrio je Messier). Ponekad se u centru jata primećuje posebno sjajna džinovska galaksija, za koju se veruje da je nastala tokom spajanja manjih galaksija.

I konačno, tu su i superjata, koja uključuju i galaktička jata i grupe, i pojedinačne galaksije. Obično su to izdužene strukture dužine do stotina megaparseka. Razdvojeni su gotovo potpuno slobodnim svemirskim prazninama iste veličine.

Superklasteri više nisu organizirani u strukture višeg reda i raspršeni su po Kosmosu na nasumičan način. Iz tog razloga, na skali od nekoliko stotina megaparseka, naš svemir je homogen i izotropan.

Galaksija u obliku diska je zvjezdana palačinka koja se okreće oko ose koja prolazi kroz njeno geometrijsko središte. Obično se na obje strane središnje zone palačinke nalazi ovalno ispupčenje (od engleskog bulge). Izbočina se također rotira, ali manjom ugaonom brzinom od diska. U ravni diska često se uočavaju spiralne grane koje obiluju relativno mladim svijetlim svjetiljkama. Međutim, postoje galaktički diskovi bez spiralne strukture, gdje takvih zvijezda ima mnogo manje.

Centralnu zonu galaksije u obliku diska može preseći zvezdana šipka - šipka. Prostor unutar diska ispunjen je plinom i prašinom - izvornim materijalom za nove zvijezde i planetarne sisteme. Galaksija ima dva diska: zvezdani i gasoviti.

Okruženi su galaktičkim oreolom - sfernim oblakom razrijeđenog vrućeg plina i tamne tvari, što daje glavni doprinos ukupnoj masi galaksije. Oreol također sadrži pojedinačne stare zvijezde i kuglasta zvjezdana jata (globularna jata) do 13 milijardi godina. U središtu gotovo svake galaksije u obliku diska, sa ili bez ispupčenja, nalazi se supermasivna crna rupa. Najveće galaksije ovog tipa sadrže po 500 milijardi zvijezda.

mliječni put

Sunce se okreće oko centra sasvim obične spiralne galaksije, koja uključuje 200-400 milijardi zvijezda. Njegov promjer je otprilike 28 kiloparseka (nešto više od 90 svjetlosnih godina). Radijus solarne intragalaktičke orbite je 8,5 kiloparseka (tako da je naša zvijezda pomjerena na vanjski rub galaktičkog diska), vrijeme potpune revolucije oko centra Galaksije je oko 250 miliona godina.

Izbočina Mliječnog puta je eliptičnog oblika i ima prečku koja je nedavno otkrivena. U središtu ispupčenja nalazi se kompaktno jezgro ispunjeno zvijezdama različite starosti - od nekoliko miliona godina do milijardu i više godina. Unutar jezgra, iza gustih prašnjavih oblaka, nalazi se prilično skromna crna rupa po galaktičkim standardima - samo 3,7 miliona solarnih masa.

Naša galaksija ima dvostruki zvjezdani disk. Unutrašnji disk, koji ima ne više od 500 parseka vertikalno, čini 95% zvijezda u zoni diska, uključujući sve mlade svijetle zvijezde. Okružen je vanjskim diskom debljine 1.500 parseka, gdje žive starije zvijezde. Gasni (tačnije, gasno-prašinski) disk Mliječnog puta je debeo najmanje 3,5 kiloparseka. Četiri spiralna kraka diska su područja povećane gustine medija gasne prašine i sadrže većinu najmasivnijih zvijezda.

Prečnik oreola Mlečnog puta je najmanje dvostruko veći od prečnika diska. Tamo je otkriveno oko 150 globularnih jata, a najvjerovatnije još pedesetak još nije otkriveno. Najstariji skupovi su stari preko 13 milijardi godina. Oreol je ispunjen tamnom materijom sa kvrgavom strukturom.

Donedavno se vjerovalo da je oreol gotovo sferičan, međutim, prema posljednjim podacima, može biti značajno spljošten. Ukupna masa Galaksije može biti do 3 triliona solarnih masa, pri čemu tamna materija čini 90-95%. Masa zvijezda u Mliječnom putu procjenjuje se na 90-100 milijardi puta veću od mase Sunca.

Eliptična galaksija, kao što joj ime govori, je elipsoidna. Ne rotira se kao cjelina i stoga nema aksijalnu simetriju. Njegove zvijezde, koje uglavnom imaju relativno malu masu i znatnu starost, kruže oko galaktičkog centra u različitim ravnima i ponekad ne pojedinačno, već u visoko izduženim lancima.

Nove svjetiljke u eliptičnim galaksijama rijetko svijetle zbog nedostatka sirovine - molekularnog vodonika.

Kao i ljudi, galaksije su grupisane zajedno. Naša lokalna grupa obuhvata dve najveće galaksije u blizini od oko 3 megaparseka - Mlečni put i Andromeda (M31), galaksiju Trougao, kao i njihove satelite - Veliki i Mali Magelanovi oblaci, patuljaste galaksije u Velikom psu, Pegaz, Carina, Sextant, Phoenix i mnogi drugi - ukupno pedesetak. Lokalna grupa je pak član lokalnog superklastera Djevice.

I najveća i najmanja galaksija su eliptičnog tipa. Ukupan udio njegovih predstavnika u galaktičkoj populaciji Univerzuma je samo oko 20%. Ove galaksije (sa mogućim izuzetkom najmanjih i najslabijih) također skrivaju supermasivne crne rupe u svojim centralnim zonama. Eliptične galaksije takođe imaju oreole, ali ne tako jasne kao one u obliku diska.

Sve ostale galaksije se smatraju nepravilnim. Sadrže puno prašine i plina i aktivno proizvode mlade zvijezde. Malo je takvih galaksija na umjerenim udaljenostima od Mliječnog puta, samo 3%.

Međutim, među objektima s velikim crvenim pomakom, čija je svjetlost emitirana najkasnije 3 milijarde godina nakon Velikog praska, njihov udio naglo raste. Očigledno su svi zvjezdani sistemi prve generacije bili mali i imali su nepravilne obrise, a velike galaksije u obliku diska i eliptične su nastale mnogo kasnije.

Rađanje galaksija

Galaksije su rođene ubrzo nakon zvijezda. Vjeruje se da su prva svjetiljka bljesnula najkasnije 150 miliona godina nakon Velikog praska. U januaru 2011, tim astronoma koji je obrađivao informacije sa svemirskog teleskopa Hubble prijavio je vjerovatno posmatranje galaksije čija je svjetlost otišla u svemir 480 miliona godina nakon Velikog praska.

U aprilu je drugi istraživački tim otkrio galaksiju koja je, po svoj prilici, već bila potpuno formirana kada je mladi svemir bio star oko 200 miliona godina.

Uslovi za rađanje zvijezda i galaksija nastali su mnogo prije nego što je počelo. Kada je svemir prešao granicu od 400.000 godina, plazma u svemiru zamijenjena je mješavinom neutralnog helijuma i vodonika. Ovaj plin je još uvijek bio previše vruć da bi se spojio u molekularne oblake koji stvaraju zvijezde.

Međutim, bio je u blizini čestica tamne materije, u početku raspoređenih u prostoru ne baš ravnomjerno - gdje je malo gušće, gdje je razrijeđenije. Nisu stupili u interakciju s barionskim plinom i stoga su pod djelovanjem međusobnog privlačenja slobodno kolabirali u zone povećane gustine.

Prema proračunima modela, u roku od sto miliona godina nakon Velikog praska, u svemiru su se formirali oblaci tamne materije veličine trenutnog Sunčevog sistema. Kombinovali su se u veće strukture, uprkos proširenju prostora. Tako su nastali nakupini oblaka tamne materije, a zatim i nakupine ovih klastera. Usisali su svemirski gas, omogućivši mu da se zgusne i sruši.

Na taj način su se pojavile prve supermasivne zvijezde, koje su brzo eksplodirale u supernove i za sobom ostavile crne rupe. Ove eksplozije obogatile su prostor elementima težim od helijuma, koji su pomogli u hlađenju oblaka gasa koji se kolabiraju i stoga omogućili pojavu manje masivnih zvijezda druge generacije.

Takve zvijezde su mogle postojati već milijardama godina i stoga su mogle formirati (opet uz pomoć tamne materije) gravitaciono vezane sisteme. Tako su nastale dugovječne galaksije, uključujući i našu.

“Mnogi detalji galaktogeneze su još uvijek skriveni u magli”, kaže John Kormendy. - To se posebno odnosi na ulogu crnih rupa. Njihove mase kreću se od desetina hiljada solarnih masa do trenutnog apsolutnog rekorda od 6,6 milijardi solarnih masa, koje pripadaju crnoj rupi iz jezgra eliptične galaksije M87, koja se nalazi 53,5 miliona svjetlosnih godina od Sunca.

Rupe u centrima eliptičnih galaksija obično su okružene ispupčenjima sačinjenim od starih zvijezda. Spiralne galaksije možda uopšte nemaju ispupčenja ili imaju svoje ravne sličnosti, pseudo-izbočine. Masa crne rupe je obično tri reda veličine manja od mase ispupčenja - naravno, ako je prisutna. Ovaj obrazac potvrđuju zapažanja koja pokrivaju rupe mase od milion do milijardu solarnih masa."

Prema profesoru Kormendyju, galaktičke crne rupe dobijaju masu na dva načina. Rupa, okružena punopravnim ispupčenjem, raste zbog apsorpcije plina koji dolazi do izbočine iz vanjske zone galaksije. Tokom spajanja galaksija, intenzitet priliva ovog gasa naglo raste, što inicira izbijanje kvazara.

Kao rezultat toga, izbočine i rupe se razvijaju paralelno, što objašnjava korelaciju između njihovih masa (međutim, mogu funkcionirati i drugi, još nepoznati mehanizmi).

Istraživači sa Univerziteta u Pittsburghu, UC Irvine i Atlantic univerziteta Florida modelirali su sudar Mliječnog puta i prethodnika patuljaste eliptične galaksije Strijelca (SagDEG) u Strijelcu.

Analizirali su dvije opcije za sudare - sa lakim (3x10¹⁰solarne mase) i teške (10¹¹ solarne mase) SagDEG. Na slici su prikazani rezultati 2,7 milijardi godina evolucije Mliječnog puta bez interakcije sa patuljastom galaksijom i uz interakciju sa laganom i teškom varijantom SagDEG-a.

Galaksije bez ćelavosti i galaksije sa pseudo-izbočinama su druga stvar. Mase njihovih rupa obično ne prelaze 104-106 solarnih masa. Prema profesoru Kormendyju, oni se napajaju plinom zbog nasumičnih procesa koji se dešavaju u blizini rupe, a ne protežu se po cijeloj galaksiji. Takva rupa raste bez obzira na evoluciju galaksije ili njenu pseudo-izbočinu, što objašnjava nedostatak korelacije između njihovih masa.

Rastuće galaksije

Galaksije mogu povećati i veličinu i masu. "U dalekoj prošlosti, galaksije su to činile mnogo efikasnije nego u novijim kosmološkim erama", objašnjava Garth Illingworth, profesor astronomije i astrofizike na Univerzitetu Kalifornije, Santa Cruz. - Stopa rađanja novih zvijezda procjenjuje se u smislu godišnje proizvodnje jedinice mase zvjezdane materije (u ovom kapacitetu mase Sunca) po jedinici zapremine svemira (obično kubni megaparsek).

U vrijeme formiranja prvih galaksija, ova brojka je bila vrlo mala, a zatim je počela brzo rasti, što se nastavilo sve dok Univerzum nije bio star 2 milijarde godina. Još 3 milijarde godina bio je relativno konstantan, zatim je počeo opadati gotovo proporcionalno vremenu, i taj pad traje do danas. Dakle, prije 7-8 milijardi godina, prosječna stopa formiranja zvijezda bila je 10-20 puta veća od sadašnje. Većina vidljivih galaksija već je u potpunosti formirana u toj dalekoj epohi."

Na slici su prikazani rezultati evolucije u različitim vremenima - početna konfiguracija (a), nakon 0,9 (b), 1,8 © i 2,65 milijardi godina (d). Prema proračunima modela, šipka i spiralni krakovi Mliječnog puta mogli su se formirati kao rezultat sudara sa SagDEG-om, koji je u početku povukao 50-100 milijardi solarnih masa.

Dvaput je prošao kroz disk naše Galaksije i izgubio dio svoje materije (i obične i tamne), uzrokujući poremećaje njene strukture. Trenutna masa SagDEG-a ne prelazi desetine miliona solarnih masa, a sljedeći sudar, koji se očekuje najkasnije 100 miliona godina kasnije, najvjerovatnije će za njega biti posljednji.

Uopšteno govoreći, ovaj trend je razumljiv. Galaksije rastu na dva glavna načina. Prvo, dobijaju svež materijal za praskanje zvezda uvlačeći čestice gasa i prašine iz okolnog prostora. Nekoliko milijardi godina nakon Velikog praska, ovaj mehanizam je ispravno funkcionisao jednostavno zato što je u svemiru bilo dovoljno zvjezdane sirovine za sve.

Zatim, kada su rezerve iscrpljene, stopa rađanja zvijezda je opala. Međutim, galaksije su pronašle sposobnost da je povećaju sudarima i spajanjem. Istina, da bi se ova opcija realizovala, galaksije koje se sudaraju moraju imati pristojne zalihe međuzvjezdanog vodonika. Za velike eliptične galaksije, gdje ga praktično nema, spajanje ne pomaže, ali u diskoidnim i nepravilnim galaksijama funkcionira.

Kurs sudara

Hajde da vidimo šta se dešava kada se dve približno identične galaksije tipa diska spoje. Njihove zvijezde se gotovo nikada ne sudaraju - udaljenosti između njih su prevelike. Međutim, plinoviti disk svake galaksije doživljava plimne sile zbog gravitacije susjedne galaksije. Barionska materija diska gubi deo ugaonog momenta i pomera se u centar galaksije, gde nastaju uslovi za eksplozivan rast brzine formiranja zvezda.

Deo ove supstance apsorbuju crne rupe, koje takođe dobijaju na masi. U završnoj fazi ujedinjenja galaksija, crne rupe se spajaju, a zvjezdani diskovi obje galaksije gube svoju nekadašnju strukturu i raspršuju se u svemiru. Kao rezultat, jedna eliptična se formira od para spiralnih galaksija. Ali ovo nikako nije potpuna slika. Zračenje mladih sjajnih zvijezda može izbaciti dio vodonika iz novorođene galaksije.

Istovremeno, aktivna akrecija gasa na crnu rupu tjera ovu potonju da s vremena na vrijeme ispaljuje mlazove ogromnih energetskih čestica u svemir, zagrijavajući plin u cijeloj galaksiji i na taj način sprječavajući stvaranje novih zvijezda. Galaksija se postepeno stišava - najvjerovatnije zauvijek.

Galaksije različitih veličina sudaraju se različito. Velika galaksija je sposobna progutati patuljastu galaksiju (odjednom ili u nekoliko koraka) i istovremeno očuvati vlastitu strukturu. Ovaj galaktički kanibalizam također može stimulirati stvaranje zvijezda.

Patuljasta galaksija je potpuno uništena, ostavljajući za sobom lance zvijezda i mlazove kosmičkog plina, koji se primjećuju i u našoj galaksiji i u susjednoj Andromedi. Ako jedna od galaksija u sudaru nije previše superiorna u odnosu na drugu, mogući su još zanimljiviji efekti.

Čeka se super teleskop

Galaktička astronomija preživjela je skoro jedno stoljeće. Počela je praktično od nule i postigla mnogo. Međutim, broj neriješenih problema je veoma velik. Naučnici mnogo očekuju od infracrvenog orbitalnog teleskopa James Webb, koji je trebao biti lansiran 2021.