Život galaxií a historie jejich studia

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Historie studia planet a hvězd se měří v tisíciletích, Slunce, komety, asteroidy a meteority - ve staletích. Ale galaxie, rozptýlené po celém vesmíru, shluky hvězd, kosmický plyn a prachové částice, se staly předmětem vědeckého výzkumu až ve 20. letech 20. století.

Galaxie byly pozorovány od nepaměti. Člověk s ostrým zrakem dokáže na noční obloze rozlišit světelné skvrny podobné kapkám mléka. V 10. století se perský astronom Abd-al-Raman al-Sufi zmínil ve své Knize pevných hvězd o dvou podobných místech, nyní známých jako Velké Magellanovo mračno a galaxii M31, neboli Andromedu.

S příchodem dalekohledů astronomové pozorovali stále více těchto objektů, nazývaných mlhoviny. Jestliže anglický astronom Edmund Halley uvedl v roce 1716 pouze šest mlhovin, pak katalog vydaný v roce 1784 francouzským námořním astronomem Charlesem Messierem jich obsahoval již 110 – a mezi nimi čtyři desítky skutečných galaxií (včetně M31).

V roce 1802 zveřejnil William Herschel seznam 2 500 mlhovin a jeho syn John v roce 1864 vydal katalog více než 5 000 mlhovin.

Náš nejbližší soused, galaxie Andromeda (M31), je jedním z oblíbených nebeských objektů pro amatérská astronomická pozorování a fotografování.

Povaha těchto objektů dlouho unikala pochopení. V polovině 18. století v nich některé náročné mozky viděly hvězdné systémy podobné Mléčné dráze, ale teleskopy v té době neposkytovaly příležitost tuto hypotézu ověřit.

O století později převládl názor, že každá mlhovina je oblak plynu osvětlený zevnitř mladou hvězdou. Později byli astronomové přesvědčeni, že některé mlhoviny, včetně Andromedy, obsahují mnoho hvězd, ale dlouho nebylo jasné, zda se nacházejí v naší Galaxii nebo mimo ni.

Teprve v letech 1923-1924 Edwin Hubble zjistil, že vzdálenost ze Země do Andromedy je nejméně třikrát větší než průměr Mléčné dráhy (ve skutečnosti asi 20krát) a že M33, další mlhovina z Messierova katalogu, není žádná. méně vzdálený od nás.vzdálenost. Tyto výsledky znamenaly začátek nové vědecké disciplíny – galaktické astronomie.

V roce 1926 slavný americký astronom Edwin Powell Hubble navrhl (a v roce 1936 modernizoval) svou klasifikaci galaxií podle jejich morfologie. Pro svůj charakteristický tvar se tato klasifikace také nazývá „Hubble Tuning Fork“.

Na „stonku“ladičky jsou eliptické galaxie, na hrotech vidlice čočkovité galaxie bez rukávů a spirální galaxie bez příčného můstku a s příčkou. Galaxie, které nelze zařadit do jedné z uvedených tříd, se nazývají nepravidelné nebo nepravidelné.

Trpaslíci a obři

Vesmír je plný galaxií různých velikostí a hmotností. Jejich počet je znám velmi přibližně. V roce 2004 objevil Hubbleův orbitální dalekohled za tři a půl měsíce asi 10 000 galaxií, přičemž skenoval v jižním souhvězdí Fornax oblast oblohy, která je stokrát menší než plocha měsíčního disku.

Pokud předpokládáme, že galaxie jsou rozmístěny po nebeské sféře se stejnou hustotou, ukáže se, že v pozorovaném prostoru je jich 200 miliard. Tento odhad je však značně podhodnocen, protože dalekohled nebyl schopen zaznamenat velké množství velmi slabých galaxií..

Forma a obsah

Galaxie se také liší morfologií (tedy tvarem). Obecně se dělí do tří hlavních tříd – diskovité, eliptické a nepravidelné (nepravidelné). Toto je obecná klasifikace, existuje mnohem podrobnější.

Galaxie nejsou ve vesmíru rozmístěny náhodně. Masivní galaxie jsou často obklopeny malými satelitními galaxiemi. Naše Mléčná dráha i sousední Andromeda mají minimálně 14 satelitů a s největší pravděpodobností je jich mnohem více. Galaxie se rády spojují do dvojic, trojic a větších skupin desítek gravitačně vázaných partnerů.

Větší asociace, galaktické kupy, obsahují stovky a tisíce galaxií (první z takových kup objevil Messier). Občas je ve středu kupy pozorována zvláště jasná obří galaxie, o které se předpokládá, že vznikla během slučování menších galaxií.

A konečně existují také nadkupy, které zahrnují jak galaktické kupy a skupiny, tak jednotlivé galaxie. Obvykle se jedná o protáhlé struktury dlouhé až stovky megaparseků. Jsou odděleny téměř úplně bez galaxiemi prostými prostorovými dutinami stejné velikosti.

Nadkupy již nejsou organizovány do žádných struktur vyššího řádu a jsou rozptýleny po celém Kosmu náhodným způsobem. Z tohoto důvodu je náš vesmír v měřítku několika stovek megaparseků homogenní a izotropní.

Galaxie ve tvaru disku je hvězdná placka obíhající kolem osy procházející jejím geometrickým středem. Obvykle na obou stranách centrální zóny placky je oválná boule (z anglického boule). Vyboulení se také otáčí, ale s nižší úhlovou rychlostí než disk. V rovině disku jsou často pozorovány spirální větve oplývající relativně mladými jasnými svítidly. Existují však galaktické disky bez spirální struktury, kde je takových hvězd mnohem méně.

Centrální zóna galaxie ve tvaru disku může být rozříznuta hvězdnou příčkou - příčkou. Prostor uvnitř disku je vyplněn plynným a prachovým médiem – zdrojovým materiálem pro nové hvězdy a planetární systémy. Galaxie má dva disky: hvězdný a plynný.

Jsou obklopeny galaktickým halem - sférickým mrakem zředěného horkého plynu a temné hmoty, které tvoří hlavní příspěvek k celkové hmotnosti galaxie. Halo také obsahuje jednotlivé staré hvězdy a kulové hvězdokupy (kulové hvězdokupy) staré až 13 miliard let. Ve středu téměř každé galaxie ve tvaru disku, s vyboulením nebo bez něj, se nachází supermasivní černá díra. Největší galaxie tohoto typu obsahují každá 500 miliard hvězd.

mléčná dráha

Slunce se točí kolem středu docela obyčejné spirální galaxie, která zahrnuje 200-400 miliard hvězd. Jeho průměr je přibližně 28 kiloparseků (něco přes 90 světelných let). Poloměr sluneční intragalaktické oběžné dráhy je 8,5 kiloparseků (takže naše hvězda je posunuta k vnějšímu okraji galaktického disku), doba úplné revoluce kolem středu Galaxie je asi 250 milionů let.

Vyboulenina Mléčné dráhy má eliptický tvar a má nedávno objevenou příčku. Ve středu výdutě je kompaktní jádro plné hvězd různého stáří - od několika milionů let po miliardu a starší. Uvnitř jádra, za hustými prachovými mraky, leží na galaktické poměry spíše skromná černá díra - pouze 3,7 milionu hmotností Slunce.

Naše Galaxie se může pochlubit dvojitým hvězdným diskem. Vnitřní disk, který nemá vertikálně více než 500 parseků, představuje 95 % hvězd v zóně disku, včetně všech mladých jasných hvězd. Je obklopena vnějším diskem o tloušťce 1500 parseků, kde žijí starší hvězdy. Plynný (přesněji plynoprachový) disk Mléčné dráhy má tloušťku nejméně 3,5 kiloparseku. Čtyři spirální ramena disku jsou oblasti se zvýšenou hustotou plynně-prachového média a obsahují většinu nejhmotnějších hvězd.

Průměr halo Mléčné dráhy je minimálně dvojnásobkem průměru disku. Bylo tam objeveno asi 150 kulových hvězdokup a s největší pravděpodobností asi padesát dalších dosud objeveno nebylo. Nejstarší hvězdokupy jsou staré přes 13 miliard let. Halo je vyplněno temnou hmotou s hrudkovitou strukturou.

Donedávna se věřilo, že halo je téměř kulové, nicméně podle nejnovějších údajů může být výrazně zploštělé. Celková hmotnost Galaxie může být až 3 biliony hmotností Slunce, přičemž temná hmota představuje 90–95 %. Hmotnost hvězd v Mléčné dráze se odhaduje na 90-100 miliardkrát větší než hmotnost Slunce.

Eliptická galaxie, jak její název napovídá, je elipsoidní. Neotáčí se jako celek, a proto nemá osovou symetrii. Jeho hvězdy, které mají většinou relativně nízkou hmotnost a značné stáří, obíhají kolem galaktického středu v různých rovinách a někdy ne jednotlivě, ale ve vysoce protáhlých řetězcích.

Nová svítidla v eliptických galaxiích se jen zřídka rozsvítí kvůli nedostatku surovin - molekulárního vodíku.

Stejně jako lidé jsou galaxie seskupeny dohromady. Naše Místní skupina zahrnuje dvě největší galaxie v okolí asi 3 megaparseků - Mléčnou dráhu a Andromedu (M31), galaxii Triangulum a také jejich satelity - Velká a Malá Magellanova mračna, trpasličí galaxie v Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix a mnoho dalších – celkem asi padesát. Místní skupina je zase členem místní superkupy Panny.

Největší i nejmenší galaxie jsou eliptického typu. Celkový podíl jejích zástupců v galaktické populaci Vesmíru je jen asi 20 %. Tyto galaxie (snad s výjimkou těch nejmenších a nejslabších) ukrývají ve svých centrálních zónách také supermasivní černé díry. Eliptické galaxie mají také halo, ale ne tak jasné jako galaxie ve tvaru disku.

Všechny ostatní galaxie jsou považovány za nepravidelné. Obsahují hodně prachu a plynu a aktivně produkují mladé hvězdy. Ve středních vzdálenostech od Mléčné dráhy je takových galaxií jen málo, pouze 3 %.

Mezi objekty s velkým rudým posuvem, jejichž světlo bylo vyzařováno nejpozději 3 miliardy let po velkém třesku, však jejich podíl prudce narůstá. Všechny hvězdné systémy první generace byly zjevně malé a měly nepravidelné obrysy a velké diskovité a eliptické galaxie vznikly mnohem později.

Zrození galaxií

Galaxie se zrodily brzy po hvězdách. Předpokládá se, že první svítidla zablikala nejpozději 150 milionů let po velkém třesku. V lednu 2011 oznámil tým astronomů zpracovávající informace z Hubbleova vesmírného dalekohledu pravděpodobné pozorování galaxie, jejíž světlo se dostalo do vesmíru 480 milionů let po velkém třesku.

V dubnu jiný výzkumný tým objevil galaxii, která se s největší pravděpodobností již plně zformovala, když byl mladý vesmír starý asi 200 milionů let.

Podmínky pro zrod hvězd a galaxií vznikly dávno předtím, než začal. Když vesmír překročil hranici 400 000 let, plazma ve vesmíru byla nahrazena směsí neutrálního helia a vodíku. Tento plyn byl stále příliš horký na to, aby se spojil do molekulárních mračen, která dávají vzniknout hvězdám.

Sousedila však s částicemi temné hmoty, zpočátku rozmístěnými v prostoru ne zcela rovnoměrně – kde je trochu hustší, kde je vzácnější. S baryonovým plynem neinteragovaly, a proto se působením vzájemné přitažlivosti volně zhroutily do zón se zvýšenou hustotou.

Podle modelových výpočtů se do sta milionů let po velkém třesku ve vesmíru vytvořila mračna temné hmoty o velikosti současné sluneční soustavy. Spojovaly se do větších struktur, a to i přes expanzi prostoru. Tak vznikly shluky mračen temné hmoty a následně shluky těchto shluků. Nasály vesmírný plyn, což mu umožnilo zhoustnout a zhroutit se.

Tímto způsobem se objevily první supermasivní hvězdy, které rychle explodovaly v supernovy a zanechaly za sebou černé díry. Tyto exploze obohatily prostor o prvky těžší než helium, což pomohlo ochladit kolabující mračna plynu a umožnilo tak vznik méně hmotných hvězd druhé generace.

Takové hvězdy už mohly existovat miliardy let, a proto dokázaly vytvořit (opět s pomocí temné hmoty) gravitačně vázané systémy. Tak vznikly dlouhověké galaxie, včetně té naší.

„Mnoho detailů galaktogeneze je stále skryto v mlze,“říká John Kormendy. - Zejména se to týká role černých děr. Jejich hmotnosti se pohybují od desítek tisíc hmotností Slunce až po současný absolutní rekord 6,6 miliardy hmotností Slunce, který patří černé díře z jádra eliptické galaxie M87, která se nachází 53,5 milionů světelných let od Slunce.

Díry v centrech eliptických galaxií jsou obvykle obklopeny vybouleninami tvořenými starými hvězdami. Spirální galaxie nemusí mít vůbec žádné vybouleniny nebo mají své ploché podobnosti, pseudovyboulení. Hmotnost černé díry je obvykle o tři řády menší než hmotnost vybouleniny – přirozeně, pokud je přítomna. Tento vzorec je potvrzen pozorováními pokrývajícími díry o hmotnosti od milionu do miliardy hmotností Slunce.

Podle profesora Kormendyho získávají galaktické černé díry hmotnost dvěma způsoby. Díra obklopená plnohodnotnou výdutí se zvětšuje díky absorpci plynu, který do výdutě přichází z vnější zóny galaxie. Při splynutí galaxií se intenzita přílivu tohoto plynu prudce zvyšuje, což iniciuje výrony kvasarů.

V důsledku toho se vybouleniny a díry vyvíjejí paralelně, což vysvětluje korelaci mezi jejich hmotnostmi (mohou však fungovat i jiné, dosud neznámé mechanismy).

Výzkumníci z University of Pittsburgh, UC Irvine a Atlantic University of Florida modelovali srážku Mléčné dráhy a předchůdce trpasličí eliptické galaxie Sagittarius (SagDEG) ve Střelci.

Analyzovali dvě možnosti kolizí - s jednoduchým (3x10¹⁰sluneční hmoty) a těžké (10¹¹ sluneční hmotnosti) SagDEG. Obrázek ukazuje výsledky 2,7 miliardy let vývoje Mléčné dráhy bez interakce s trpasličí galaxií a s interakcí s lehkou a těžkou variantou SagDEG.

Galaxie bez plešatosti a galaxie s pseudovybouleninami jsou jiná věc. Hmotnosti jejich otvorů obvykle nepřesahují 104-106 hmotností Slunce. Podle profesora Kormendyho jsou napájeny plynem kvůli náhodným procesům, které se vyskytují v blízkosti díry a nesahají přes celou galaxii. Taková díra roste bez ohledu na vývoj galaxie nebo její pseudovyboulení, což vysvětluje nedostatek korelace mezi jejich hmotnostmi.

Rostoucí galaxie

Galaxie mohou zvětšovat jak velikost, tak hmotnost. "V dávné minulosti to galaxie dělaly mnohem efektivněji než v nedávných kosmologických érách," vysvětluje Garth Illingworth, profesor astronomie a astrofyziky na Kalifornské univerzitě v Santa Cruz. - Rychlost zrození nových hvězd se odhaduje na základě roční produkce jednotky hmotnosti hvězdné hmoty (v této kapacitě hmotnosti Slunce) na jednotku objemu kosmického prostoru (obvykle kubický megaparsek).

V době vzniku prvních galaxií bylo toto číslo velmi malé a poté začalo rychle růst, což pokračovalo až do stáří vesmíru 2 miliardy let. Další 3 miliardy let byl relativně konstantní, pak začal klesat téměř úměrně času a tento pokles trvá dodnes. Takže před 7-8 miliardami let byla průměrná rychlost tvorby hvězd 10-20krát vyšší než současná. Většina pozorovatelných galaxií byla již plně zformována v té vzdálené epoše."

Obrázek ukazuje výsledky evoluce v různých časech - počáteční konfigurace (a), po 0, 9 (b), 1, 8 © a 2, 65 miliardách let (d). Podle modelových výpočtů mohla příčka a spirální ramena Mléčné dráhy vzniknout v důsledku kolizí se SagDEG, který zpočátku táhl 50-100 miliard slunečních hmot.

Dvakrát prošel diskem naší Galaxie a ztratil část své hmoty (běžné i tmavé), což způsobilo poruchy její struktury. Současná hmotnost SagDEG nepřesahuje desítky milionů hmotností Slunce a příští srážka, která se očekává nejpozději o 100 milionů let později, pro ni bude s největší pravděpodobností poslední.

Obecně je tento trend pochopitelný. Galaxie rostou dvěma hlavními způsoby. Nejprve získávají čerstvý starburst materiál nasáváním plynných a prachových částic z okolního prostoru. Několik miliard let po Velkém třesku tento mechanismus fungoval správně jednoduše proto, že ve vesmíru bylo dostatek hvězdné suroviny pro každého.

Poté, když byly rezervy vyčerpány, rychlost hvězdného porodu klesla. Galaxie však našly schopnost jej zvýšit prostřednictvím kolizí a sloučení. Pravda, aby byla tato možnost realizována, musí mít srážející se galaxie slušnou zásobu mezihvězdného vodíku. U velkých eliptických galaxií, kde je prakticky pryč, sloučení nepomáhá, ale v diskoidních a nepravidelných galaxiích to jde.

Kolizní kurz

Podívejme se, co se stane, když se dvě přibližně identické galaxie diskového typu spojí. Jejich hvězdy se téměř nikdy nesrazí – vzdálenosti mezi nimi jsou příliš velké. Avšak plynný disk každé galaxie zažívá slapové síly v důsledku gravitace svého souseda. Baryonická hmota disku ztrácí část momentu hybnosti a posouvá se do středu galaxie, kde vznikají podmínky pro explozivní růst rychlosti tvorby hvězd.

Část této látky je absorbována černými dírami, které také nabývají na hmotnosti. V konečné fázi sjednocování galaxií se černé díry spojují a hvězdné disky obou galaxií ztrácejí svou dřívější strukturu a jsou rozptýleny ve vesmíru. Výsledkem je, že z dvojice spirálních galaxií vzniká jedna eliptická. To ale v žádném případě není úplný obrázek. Záření z mladých jasných hvězd může vyfouknout část vodíku z nově zrozené galaxie.

Aktivní narůstání plynu na černou díru zároveň nutí tuto černou díru čas od času vystřelovat do vesmíru výtrysky obrovských energetických částic, které zahřívají plyn v celé galaxii a brání tak vzniku nových hvězd. Galaxie postupně utichá – s největší pravděpodobností navždy.

Galaxie různých velikostí se srážejí různě. Velká galaxie je schopna pohltit trpasličí galaxii (najednou nebo v několika krocích) a zároveň si zachovat svou vlastní strukturu. Tento galaktický kanibalismus může také stimulovat tvorbu hvězd.

Trpasličí galaxie je zcela zničena a zanechává za sebou řetězy hvězd a výtrysky kosmického plynu, které jsou pozorovány jak v naší Galaxii, tak v sousední Andromedě. Pokud jedna ze srážejících se galaxií není příliš nadřazená té druhé, jsou možné ještě zajímavější efekty.

Čekání na super dalekohled

Galaktická astronomie přežila téměř století. Začínala prakticky od nuly a dokázala hodně. Množství nevyřešených problémů je však velmi velké. Vědci očekávají hodně od infračerveného orbitálního dalekohledu Jamese Webba, který měl být vypuštěn v roce 2021.