Galaktiku dzīve un to izpētes vēsture

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Planētu un zvaigžņu izpētes vēsture mērāma tūkstošgadēs, Saule, komētas, asteroīdi un meteorīti - gadsimtos. Bet galaktikas, kas izkaisītas pa Visumu, zvaigžņu kopas, kosmiskās gāzes un putekļu daļiņas, kļuva par zinātniskās izpētes objektu tikai pagājušā gadsimta 20. gados.

Galaktikas ir novērotas kopš neatminamiem laikiem. Cilvēks ar asu redzi naksnīgajās debesīs var atšķirt gaišus plankumus, kas līdzīgi piena lāsēm. 10. gadsimtā persiešu astronoms Abd-al-Raman al-Sufi savā fiksēto zvaigžņu grāmatā pieminēja divus līdzīgus punktus, kas tagad pazīstami kā Lielais Magelāna mākonis un galaktika M31 jeb Andromeda.

Līdz ar teleskopu parādīšanos astronomi ir novērojuši arvien vairāk šo objektu, ko sauc par miglājiem. Ja angļu astronoms Edmunds Halijs 1716. gadā uzskaitīja tikai sešus miglājus, tad franču jūras kara flotes astronoma Šarla Mesjē 1784. gadā izdotajā katalogā bija jau 110 – un starp tiem četri desmiti reālu galaktiku (tostarp M31).

1802. gadā Viljams Heršels publicēja sarakstu ar 2500 miglājiem, bet viņa dēls Džons 1864. gadā publicēja katalogu ar vairāk nekā 5000 miglājiem.

Mūsu tuvākā kaimiņvalsts Andromedas galaktika (M31) ir viens no iecienītākajiem debess objektiem amatieru astronomiskajiem novērojumiem un fotografēšanai.

Šo objektu būtība jau sen nav izprotama. 18. gadsimta vidū daži zinoši prāti tajās saskatīja Piena Ceļam līdzīgas zvaigžņu sistēmas, taču teleskopi tolaik nedeva iespēju pārbaudīt šo hipotēzi.

Gadsimtu vēlāk dominēja uzskats, ka katrs miglājs ir gāzes mākonis, ko no iekšpuses apgaismo jauna zvaigzne. Vēlāk astronomi pārliecinājās, ka daži miglāji, tostarp Andromeda, satur daudzas zvaigznes, taču ilgu laiku nebija skaidrs, vai tie atrodas mūsu Galaktikā vai ārpus tās.

Tikai 1923.–1924. gadā Edvīns Habls noteica, ka attālums no Zemes līdz Andromedai ir vismaz trīs reizes lielāks par Piena ceļa diametru (patiesībā apmēram 20 reizes) un ka M33, vēl viens miglājs no Mesjē kataloga, nebija nekāds. mazāk tālu no mums.attālums. Šie rezultāti iezīmēja jaunas zinātnes disciplīnas – galaktikas astronomijas – sākumu.

1926. gadā slavenais amerikāņu astronoms Edvins Pauels Habls ierosināja (un 1936. gadā modernizēja) savu galaktiku klasifikāciju pēc to morfoloģijas. Tā raksturīgās formas dēļ šo klasifikāciju sauc arī par "Habla kamertoni".

Uz kamertonis “kāta” ir elipsveida galaktikas, uz dakšas zariem - lēcveida galaktikas bez piedurknēm un spirālveida galaktikas bez stieņa tilta un ar stieni. Galaktikas, kuras nevar klasificēt kā vienu no uzskaitītajām klasēm, sauc par neregulārām vai neregulārām.

Rūķi un milži

Visums ir piepildīts ar dažāda izmēra un masas galaktikām. To skaits ir zināms ļoti aptuveni. 2004. gadā Habla orbitālais teleskops trīsarpus mēnešu laikā atklāja aptuveni 10 000 galaktiku, dienvidu zvaigznājā Fornaks skenējot debess apgabalu, kas ir simts reižu mazāks par Mēness diska laukumu.

Ja pieņemam, ka galaktikas ir izkliedētas pa debess sfēru ar vienādu blīvumu, izrādās, ka novērotajā telpā ir 200 miljardi. Taču šis aprēķins ir ļoti zemu novērtēts, jo teleskops nespēja pamanīt ļoti daudzas ļoti vājas galaktikas..

Forma un saturs

Galaktikas atšķiras arī pēc morfoloģijas (tas ir, pēc formas). Kopumā tos iedala trīs galvenajās klasēs - diskveida, elipsveida un neregulāras (neregulāras). Šī ir vispārīga klasifikācija, ir daudz detalizētāka.

Galaktikas kosmosā nemaz nav nejauši sadalītas. Masīvas galaktikas bieži ieskauj mazas satelītgalaktikas. Gan mūsu Piena ceļam, gan kaimiņu Andromedai ir vismaz 14 pavadoņi, un, visticamāk, to ir daudz vairāk. Galaktikām patīk apvienoties pa pāriem, trīskāršiem un lielākām grupām, kurās ir desmitiem gravitācijas saistītu partneru.

Lielākās asociācijas, galaktikas kopas, satur simtiem un tūkstošiem galaktiku (pirmo no šādām kopām atklāja Mesjē). Reizēm kopas centrā tiek novērota īpaši spilgta milzu galaktika, kas, domājams, radusies mazāku galaktiku saplūšanas laikā.

Un visbeidzot ir arī superkopas, kurās ietilpst gan galaktikas kopas un grupas, gan atsevišķas galaktikas. Parasti tās ir iegarenas struktūras līdz pat simtiem megaparseku garumā. Tos atdala gandrīz pilnībā no galaktikas brīvas telpas tukšumi, kas ir vienādi.

Superkopas vairs nav sakārtotas augstākās kārtas struktūrās un ir izkaisītas visā Kosmosā nejaušā veidā. Šī iemesla dēļ mūsu Visums vairāku simtu megaparseku mērogā ir viendabīgs un izotropisks.

Diska formas galaktika ir zvaigžņu pankūka, kas griežas ap asi, kas iet caur tās ģeometrisko centru. Parasti abās pankūkas centrālās zonas pusēs ir ovāls izspiedums (no angļu valodas bulge). Arī izliekums griežas, bet ar mazāku leņķisko ātrumu nekā disks. Diska plaknē bieži tiek novēroti spirālveida zari, kas ir bagāti ar salīdzinoši jauniem spilgtiem gaismekļiem. Tomēr ir galaktikas diski bez spirālveida struktūras, kur šādu zvaigžņu ir daudz mazāk.

Diskveida galaktikas centrālo zonu var pārgriezt zvaigžņu josla - stienis. Vieta diska iekšpusē ir piepildīta ar gāzi un putekļiem - jaunu zvaigžņu un planētu sistēmu izejmateriālu. Galaktikai ir divi diski: zvaigžņu un gāzveida.

Tos ieskauj galaktikas oreols - sfērisks retinātas karstas gāzes un tumšās vielas mākonis, kas veido galveno ieguldījumu galaktikas kopējā masā. Oreols satur arī atsevišķas vecas zvaigznes un lodveida zvaigžņu kopas (lodveida kopas), kuru vecums ir līdz 13 miljardiem gadu. Gandrīz jebkuras diskveida galaktikas centrā ar vai bez izliekuma atrodas supermasīvs melnais caurums. Lielākās šāda veida galaktikas satur 500 miljardus zvaigžņu.

piena ceļš

Saule riņķo ap pavisam parastas spirālveida galaktikas centru, kurā ietilpst 200–400 miljardi zvaigžņu. Tās diametrs ir aptuveni 28 kiloparseki (nedaudz vairāk par 90 gaismas gadiem). Saules intragalaktiskās orbītas rādiuss ir 8,5 kiloparseki (tā, lai mūsu zvaigzne tiktu pārvietota uz galaktikas diska ārējo malu), pilnīgas apgrieziena laiks ap Galaktikas centru ir aptuveni 250 miljoni gadu.

Piena Ceļa izciļņiem ir eliptiska forma, un tajā ir nesen atklāts stienis. Izspieduma centrā atrodas kompakts kodols, kas piepildīts ar dažāda vecuma zvaigznēm - no vairākiem miljoniem gadu līdz miljardam un vecākām. Kodola iekšpusē aiz blīviem putekļainiem mākoņiem atrodas pēc galaktikas standartiem diezgan pieticīgs melnais caurums - tikai 3,7 miljoni Saules masu.

Mūsu Galaxy lepojas ar dubultu zvaigžņu disku. Iekšējais disks, kuram vertikāli ir ne vairāk kā 500 parsekus, veido 95% no diska zonā esošajām zvaigznēm, ieskaitot visas jaunās spožās zvaigznes. To ieskauj 1500 parseku biezs ārējais disks, kurā dzīvo vecākas zvaigznes. Piena Ceļa gāzveida (precīzāk, gāzes-putekļu) disks ir vismaz 3,5 kiloparsekus biezs. Četras diska spirālveida zari ir reģioni ar paaugstinātu gāzes un putekļu vides blīvumu un satur lielāko daļu masīvāko zvaigžņu.

Piena Ceļa oreola diametrs ir vismaz divas reizes lielāks par diska diametru. Tur ir atklātas aptuveni 150 lodveida kopas, un, visticamāk, vēl aptuveni piecdesmit vēl nav atklātas. Vecākās kopas ir vairāk nekā 13 miljardus gadu vecas. Oreols ir piepildīts ar tumšo vielu ar gabaliņu struktūru.

Vēl nesen tika uzskatīts, ka oreols ir gandrīz sfērisks, tomēr saskaņā ar jaunākajiem datiem to var ievērojami saplacināt. Galaktikas kopējā masa var būt līdz 3 triljoniem saules masu, un tumšā viela veido 90-95%. Tiek lēsts, ka Piena Ceļa zvaigžņu masa ir 90–100 miljardu reižu lielāka par Saules masu.

Elipsveida galaktika, kā norāda tās nosaukums, ir elipsoidāla. Tas negriežas kopumā, un tāpēc tam nav aksiālās simetrijas. Tās zvaigznes, kurām pārsvarā ir salīdzinoši maza masa un ievērojams vecums, riņķo ap galaktikas centru dažādās plaknēs un dažkārt ne atsevišķi, bet ļoti iegarenās ķēdēs.

Jauni gaismekļi eliptiskajās galaktikās iedegas reti, jo trūkst izejvielu - molekulārā ūdeņraža.

Tāpat kā cilvēki, galaktikas ir sagrupētas kopā. Mūsu lokālajā grupā ietilpst divas lielākās galaktikas aptuveni 3 megaparseku apkaimē - Piena ceļš un Andromeda (M31), galaktika Triangulum, kā arī to pavadoņi - Lielais un Mazais Magelāna mākonis, pundurgalaktikas Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix un daudzi citi - kopā apmēram piecdesmit. Vietējā grupa savukārt ir vietējā Jaunavas superkopas dalībniece.

Gan lielākās, gan mazākās galaktikas ir eliptiskas. Kopējais tās pārstāvju īpatsvars Visuma galaktikas populācijā ir tikai aptuveni 20%. Šīs galaktikas (izņemot, iespējams, mazākās un vājākās) savās centrālajās zonās slēpj arī supermasīvus melnos caurumus. Eliptiskajām galaktikām ir arī haloni, taču tie nav tik skaidri kā diskveida galaktikām.

Visas pārējās galaktikas tiek uzskatītas par neregulārām. Tie satur daudz putekļu un gāzes un aktīvi ražo jaunas zvaigznes. Šādu galaktiku mērenos attālumos no Piena Ceļa ir maz, tikai 3%.

Tomēr starp objektiem ar lielu sarkano nobīdi, kuru gaisma tika izstarota ne vēlāk kā 3 miljardus gadu pēc Lielā sprādziena, to īpatsvars strauji palielinās. Acīmredzot visas pirmās paaudzes zvaigžņu sistēmas bija mazas un tām bija neregulāras kontūras, un lielas diska formas un eliptiskas galaktikas radās daudz vēlāk.

Galaktiku dzimšana

Galaktikas dzima drīz pēc zvaigznēm. Tiek uzskatīts, ka pirmie gaismekļi uzplaiksnīja ne vēlāk kā 150 miljonus gadu pēc Lielā sprādziena. 2011. gada janvārī astronomu komanda, kas apstrādāja informāciju no Habla kosmiskā teleskopa, ziņoja par iespējamu galaktikas novērošanu, kuras gaisma kosmosā nonāca 480 miljonus gadu pēc Lielā sprādziena.

Aprīlī cita pētnieku grupa atklāja galaktiku, kas, visticamāk, jau bija pilnībā izveidojusies, kad jaunais Visums bija aptuveni 200 miljonus gadu vecs.

Zvaigžņu un galaktiku dzimšanas apstākļi radās ilgi pirms tā sākuma. Kad Visums pārsniedza 400 000 gadu robežu, plazma kosmosā tika aizstāta ar neitrāla hēlija un ūdeņraža maisījumu. Šī gāze joprojām bija pārāk karsta, lai saplūstu molekulārajos mākoņos, kas rada zvaigznes.

Tomēr tas atradās blakus tumšās vielas daļiņām, kas sākotnēji izplatījās ne visai vienmērīgi - kur tas ir nedaudz blīvāks, kur tas ir retāk sastopams. Tie nesadarbojās ar barionu gāzi un tāpēc savstarpējas pievilkšanās ietekmē brīvi sabruka paaugstināta blīvuma zonās.

Saskaņā ar modeļu aprēķiniem, simts miljonu gadu laikā pēc Lielā sprādziena kosmosā izveidojās tumšās vielas mākoņi pašreizējās Saules sistēmas lielumā. Tie apvienojās lielākās struktūrās, neskatoties uz telpas paplašināšanos. Tā radās tumšās matērijas mākoņu kopas un pēc tam šo klasteru kopas. Viņi iesūca kosmosa gāzi, ļaujot tai sabiezēt un sabrukt.

Tādā veidā parādījās pirmās supermasīvās zvaigznes, kuras ātri eksplodēja supernovās un atstāja aiz sevis melnos caurumus. Šie sprādzieni bagātināja telpu ar elementiem, kas bija smagāki par hēliju, kas palīdzēja atdzesēt sabrūkošos gāzes mākoņus un tādējādi ļāva parādīties mazāk masīvām otrās paaudzes zvaigznēm.

Šādas zvaigznes jau varēja pastāvēt miljardiem gadu un tāpēc varēja veidot (atkal ar tumšās matērijas palīdzību) ar gravitāciju saistītas sistēmas. Tā radās ilgmūžīgas galaktikas, arī mūsu.

"Daudzas galaktoģenēzes detaļas joprojām ir paslēptas miglā," saka Džons Kormendijs. - Jo īpaši tas attiecas uz melno caurumu lomu. To masas svārstās no desmitiem tūkstošu Saules masu līdz pašreizējam absolūtajam rekordam 6,6 miljardiem saules masu, kas pieder melnajam caurumam no eliptiskās galaktikas M87 kodola, kas atrodas 53,5 miljonu gaismas gadu attālumā no Saules.

Caurumus elipsveida galaktiku centros parasti ieskauj izciļņi, ko veido vecās zvaigznes. Spirālveida galaktikām var nebūt izciļņu vai tām var būt plakana līdzība, pseido-izspiedumi. Melnā cauruma masa parasti ir par trim kārtām mazāka nekā izspieduma masa - dabiski, ja tāda ir. Šo modeli apstiprina novērojumi, kas aptver caurumus ar masu no miljona līdz miljardam saules masu.

Saskaņā ar profesora Kormendy teikto, galaktikas melnie caurumi iegūst masu divos veidos. Caurums, ko ieskauj pilnvērtīgs izliekums, aug, absorbējot gāzi, kas uz izliekumu nonāk no galaktikas ārējās zonas. Galaktiku saplūšanas laikā strauji palielinās šīs gāzes pieplūduma intensitāte, kas ierosina kvazāru uzliesmojumus.

Rezultātā izciļņi un caurumi attīstās paralēli, kas izskaidro korelāciju starp to masām (tomēr var darboties arī citi, vēl nezināmi mehānismi).

Pētnieki no Pitsburgas Universitātes, UC Irvine un Floridas Atlantijas Universitātes ir modelējuši Piena Ceļa un Strēlnieka pundureliptiskās galaktikas (SagDEG) priekšteča sadursmi Strēlniekā.

Viņi analizēja divas sadursmju iespējas - ar vieglu (3x10¹⁰Saules masas) un smagas (10¹¹ saules masas) SagDEG. Attēlā parādīti 2,7 miljardu gadu Piena Ceļa evolūcijas rezultāti bez mijiedarbības ar pundurgalaktiku un mijiedarbības ar SagDEG vieglo un smago variantu.

Galaktikas bez plikas un galaktikas ar pseidoizspiedumiem ir cita lieta. To caurumu masas parasti nepārsniedz 104-106 saules masas. Saskaņā ar profesora Kormendy teikto, tie tiek baroti ar gāzi nejaušu procesu dēļ, kas notiek netālu no cauruma, un tie neizplatās visā galaktikā. Šāds caurums aug neatkarīgi no galaktikas evolūcijas vai tās pseidoizspieduma, kas izskaidro korelācijas trūkumu starp to masām.

Augošas galaktikas

Galaktikas var palielināties gan pēc izmēra, gan masas. "Tālā pagātnē galaktikas to darīja daudz efektīvāk nekā nesenajos kosmoloģiskajos laikmetos," skaidro Kalifornijas Universitātes Santakrusā astronomijas un astrofizikas profesors Garts Illingvorts. - Jaunu zvaigžņu dzimstības ātrumu aprēķina kā zvaigžņu vielas masas vienības (šajā gadījumā Saules masas) ikgadējo produkciju uz kosmosa tilpuma vienību (parasti kubiskā megaparseka).

Pirmo galaktiku veidošanās brīdī šis skaitlis bija ļoti mazs, un pēc tam sāka strauji augt, kas turpinājās līdz Visuma 2 miljardu gadu vecumam. Vēl 3 miljardus gadu tas bija samērā nemainīgs, pēc tam sāka kristies gandrīz proporcionāli laikam, un šis kritums turpinās līdz pat šai dienai. Tātad pirms 7-8 miljardiem gadu vidējais zvaigžņu veidošanās ātrums bija 10-20 reizes lielāks nekā pašreizējais. Lielākā daļa novērojamo galaktiku jau bija pilnībā izveidojušās tajā tālajā laikmetā.

Attēlā parādīti evolūcijas rezultāti dažādos laikos - sākotnējā konfigurācija (a), pēc 0, 9 (b), 1, 8 © un 2, 65 miljardiem gadu (d). Saskaņā ar modeļa aprēķiniem Piena Ceļa stienis un spirālveida zari varēja veidoties sadursmju rezultātā ar SagDEG, kas sākotnēji vilka 50-100 miljardus saules masu.

Divas reizes tas izgāja cauri mūsu Galaktikas diskam un zaudēja daļu no savas matērijas (gan parastās, gan tumšās), izraisot tās struktūras traucējumus. Pašreizējā SagDEG masa nepārsniedz desmitiem miljonu Saules masu, un nākamā sadursme, kas gaidāma ne vēlāk kā pēc 100 miljoniem gadu, tai, visticamāk, būs pēdējā.

Kopumā šī tendence ir saprotama. Galaktikas aug divos galvenajos veidos. Pirmkārt, viņi iegūst svaigu zvaigžņu uzliesmojuma materiālu, ievelkot gāzes un putekļu daļiņas no apkārtējās telpas. Vairākus miljardus gadu pēc Lielā sprādziena šis mehānisms darbojās pareizi tikai tāpēc, ka kosmosā visiem bija pietiekami daudz zvaigžņu izejvielu.

Tad, kad rezerves bija izsmeltas, zvaigžņu dzimšanas ātrums samazinājās. Tomēr galaktikas ir atradušas iespēju to palielināt sadursmju un saplūšanas rezultātā. Tiesa, lai šī iespēja tiktu realizēta, sadursmē esošajām galaktikām ir jābūt pienācīgam starpzvaigžņu ūdeņraža krājumam. Lielām eliptiskām galaktikām, kur tā praktiski vairs nav, saplūšana nepalīdz, bet diskveida un neregulārajās galaktikās tas darbojas.

Sadursmes kurss

Paskatīsimies, kas notiek, ja saplūst divas aptuveni identiskas diska tipa galaktikas. Viņu zvaigznes gandrīz nekad nesaduras - attālumi starp tām ir pārāk lieli. Tomēr katras galaktikas gāzveida disks piedzīvo paisuma spēkus tās kaimiņvalsts gravitācijas dēļ. Diska barioniskā viela zaudē daļu no leņķiskā impulsa un pāriet uz galaktikas centru, kur rodas apstākļi zvaigžņu veidošanās ātruma sprādzienbīstamai izaugsmei.

Daļu šīs vielas absorbē melnie caurumi, kas arī iegūst masu. Galaktiku apvienošanās beigu fāzē melnie caurumi saplūst, un abu galaktiku zvaigžņu diski zaudē savu agrāko struktūru un izkliedējas telpā. Rezultātā no spirālveida galaktiku pāra veidojas viena eliptiska. Bet tas nekādā gadījumā nav pilnīgs attēls. Jaunu spožu zvaigžņu starojums var izpūst daļu ūdeņraža no jaundzimušās galaktikas.

Tajā pašā laikā aktīvā gāzes uzkrāšanās melnajā caurumā liek pēdējam laiku pa laikam izšaut kosmosā milzīgas enerģijas daļiņu strūklas, sildot gāzi visā galaktikā un tādējādi novēršot jaunu zvaigžņu veidošanos. Galaktika pakāpeniski nomierinās - visticamāk, uz visiem laikiem.

Dažādu izmēru galaktikas saduras atšķirīgi. Liela galaktika spēj norīt pundurgalaktiku (uzreiz vai vairākos posmos) un tajā pašā laikā saglabāt savu struktūru. Šis galaktikas kanibālisms var arī stimulēt zvaigžņu veidošanos.

Pundurgalaktika ir pilnībā iznīcināta, atstājot aiz sevis zvaigžņu ķēdes un kosmiskās gāzes strūklas, kas tiek novērotas gan mūsu Galaktikā, gan kaimiņos esošajā Andromedā. Ja viena no saduras galaktikām nav pārāk pārāka par otru, ir iespējami vēl interesantāki efekti.

Gaidām superteleskopu

Galaktiskā astronomija izdzīvoja gandrīz gadsimtu. Viņa sāka praktiski no nulles un sasniedza daudz. Tomēr neatrisināto problēmu skaits ir ļoti liels. Zinātnieki daudz sagaida no Džeimsa Veba infrasarkanā orbitālā teleskopa, kuru bija paredzēts palaist 2021. gadā.