Insulele de stele: galaxiile

Insulele de stele: galaxiile

Alexey Levin
"Mecanică populară" №11, 2011

Istoria studierii planetelor și a stelelor este măsurată de mii de ani, de Soare, de comete, de asteroizi și de meteoriți – de secole. Dar galaxiile împrăștiate în jurul clusterelor universului de stele, gazele cosmice și particulele de praf au devenit obiectul cercetării științifice abia în anii 1920.

Au fost observate galaxii din timpuri imemoriale. O persoană cu o vedere ascuțită poate distinge pete luminoase în cerul de noapte ca picături de lapte. În secolul al X-lea, astronomul persan Abd-al-Raman al-Sufi a menționat în "Cartea cu stele fixe" două pete similare, acum cunoscute sub numele de Norul Magellanic Mare și galaxia M31, cunoscută și sub numele de Andromeda. Odată cu apariția telescoapelor, astronomii au observat tot mai multe dintre aceste obiecte numite nebuloase. Dacă astronomul englez Edmund Halley a inventat doar șase nebuloase în 1716, catalogul, publicat în 1784 de către astronomul maritim francez Charles Messier, conține deja 110 – dintre care patru duzini de galaxii (inclusiv M31). În 1802, William Herschel a publicat o listă de 2500 de nebuloase, iar fiul său John în 1864 a publicat un catalog cu mai mult de 5.000 de nebuloase.

Natura acestor obiecte a scăpat mult timp din înțelegere.La mijlocul secolului al XVIII-lea, unele minți înțelepte au văzut sisteme de stele precum Calea Lactee în ele, dar telescoapele la acea vreme nu au oferit ocazia de a testa această ipoteză. Un secol mai târziu, opinia a predominat că fiecare nebulă este un nor de gaz, iluminat din interior de o stea tânără. Mai târziu, astronomii au fost convinși că unele nebuloase, inclusiv Andromeda, conțin multe stele, dar de mult timp nu a fost clar dacă ele se află în Galaxia noastră sau dincolo de ea. Și numai în 1923-1924, Edwin Hubble a stabilit că distanța de la Pământ la Andromeda de cel puțin trei ori diametrul Calei Lactee (de fapt, de aproximativ 20 de ori) și că M33, o altă nebuloasă din catalogul Messier, nu este mai puțin îndepărtată de noi. distanta. Aceste rezultate au marcat începutul unei noi discipline științifice – astronomia galactică.

Privind la vecin
Cel mai apropiat vecin al nostru, Galaxia Andromeda (M31) este unul dintre obiectele celeste preferate pentru observații astronomice și fotografii amatori. Și nu numai amator – ilustrația arată imaginea combinată multispectrală a lui M31, realizată de telescopul spațial Spitzer și NASA Galaxy Evolution explorator (GALEX). GALEX ochii deschisi deschid natura fierbinte a Andromedei – zonele fierbinti pline cu tineri (aratat albastru) și vechi (puncte verde și luminos zona galbenă în centrul galaxiei). Telescop IR sensibil Spitzer vede o parte diferită, rece – regiunile care formează steaua (ilustrate roșu), ascuns de ochii curiosi de nori de praf si gaz. violet zonele în care coexistă stele colaterale fierbinți cu nori reci, înconjurați de praf, sunt arătați. Imagine: Mecanică populară

Pitici și giganți

Universul este umplut cu galaxii de diferite mărimi și diferite mase. Numărul lor este cunoscut foarte brutal. Cu șapte ani în urmă, în decurs de trei luni și jumătate, telescopul orbital Hubble a descoperit aproximativ 10.000 de galaxii, scanând în constelația sudică a cuptorului o zonă a cerului, de o sută de ori mai mică decât suprafața discului lunar. Dacă presupunem că galaxiile sunt distribuite pe sfera cerească cu aceeași densitate, se pare că în spațiul observat sunt 200 de miliarde. Totuși, această estimare este mult subestimată, deoarece telescopul nu a observat prea multe galaxii foarte slabe.

Printre galaxii există pitici și giganți. În manualul autoritar Oxford Companion la Cosmologie Ediția din 2008 spune că cele mai mici galaxii conțin milioane de stele, iar cea mai mare – trilioane. Aceste informații au devenit deja depășite. Ca profesor la Universitatea din Texas din Austin, John Kormendi, a declarat în ultimii ani că o familie de mini-galaxii a fost descoperită doar cu sute de stele: "Acestea sunt așa-numitele pitici ultracompact ale căror dimensiuni lineare se află în 20 de parseci. masa acestor galaxii este de milioane și zeci de milioane de mase solare. Cel mai probabil, materia întunecată este responsabilă pentru acest lucru, deși unii oameni de știință cred că o contribuție considerabilă aparține găurilor negre și stelelor neutronice. Definiția unei galaxii ca o clusteră autonomă de mari dimensiuni nu mai funcționează. " La limita superioară a spectrului galactic sunt supergianți cu un diametru de ordinul unui megaparsec, a cărui populație stelară atinge sute de trilioane.

Formă și conținut

De asemenea, galaxiile diferă în morfologie (adică formă).În general, ele sunt împărțite în trei clase principale – discoide, eliptice și neregulate (neregulate). Aceasta este o clasificare generală, există mult mai detaliate.

Galaxia discoidă este o clătiță de stele ce se rotește în jurul unei axe care trece prin centrul său geometric. De obicei, pe ambele părți ale zonei centrale a clătitului există o bulgăre ovală – bulge (de la limba engleză. umflătură). Bulge se rotește, de asemenea, dar cu o viteză unghiulară mai mică decât discul. Ramurile spirale sunt adesea observate în planul discului, care abundă în corpuri de iluminat luminoase relativ tinere. Cu toate acestea, există discuri galactice și fără o structură spirală, unde astfel de stele sunt mult mai mici.

Bara stelară – bara poate tăia zona centrală a unei galaxii în formă de disc. Spațiul din interiorul discului este umplut cu un mediu din praf de gaz – materialul de pornire pentru noi stele și sisteme planetare. Galaxia are două discuri: stea și gaz. Ele sunt înconjurate de halo galactic – un nor sferic de gaz fierbinte rarefiat și materie întunecată, care contribuie în principal la masa totală a galaxiei. Halo-ul conține, de asemenea, stele vechi individuale și grupuri de stele globulare (grupări globulare) cu vârsta de până la 13 miliarde de ani.În centrul aproape a oricărei galaxii discoide, atât cu bulgăre, cât și fără bulgăre, există o gaură neagră supermassivă. Cele mai mari galaxii de acest tip conțin câte 500 de miliarde de stele.

Edwin Hubble
În 1926, faimosul astronom american Edwin Powell Hubble a propus (și în 1936 să modernizeze) clasificarea galaxiilor în funcție de morfologia lor. Datorită formei sale caracteristice, această clasificare este numită și furca de tuning Hubble. Pe "piciorul" furcii de tuning există galaxii eliptice, pe dinți ai unei furci sunt galaxii fără gât și galaxii spiralizate, fără un bara de jumperi și cu un bar. Galaxiile care nu pot fi clasificate ca fiind una dintre clasele enumerate sunt numite neregulate sau neregulate. Imagine: "Chimia și viața"

O galaxie eliptică, așa cum sugerează și numele ei, are forma unui elipsoid. Nu se rotește în ansamblu și, prin urmare, nu are simetrie axială. Stelele sale, care au o masă relativ mică și o vârstă solidă, orbitează în jurul centrului galactic în diferite planuri și uneori nu individual, ci în lanțuri foarte alungite. Noi stele în galaxiile eliptice rareori se aprind din cauza lipsei de materii prime – hidrogen molecular.

Atât cele mai mari cat și cele mai mici galaxii aparțin tipului eliptic. Ponderea totală a reprezentanților săi în populația galactică a universului este de numai aproximativ 20%. Aceste galaxii (cu o posibilă excepție a celor mai mici și mai mici) ascund și găurile negre supermassive în zonele lor centrale. Galaxiile eliptice au halouri, dar nu la fel de diferite ca cele ale discoidelor.

Star de reinstalare

Galaxiile sunt distribuite în spațiul cosmic nu sunt deloc haotice. Galaxiile masive sunt adesea înconjurate de mici galaxii prin satelit.

Grup local de galaxii
Ca și oamenii, galaxiile se reunesc în grupuri. Grupul nostru local include cele două mari galaxii din vecinătatea a aproximativ 3 megaparsek – Calea Lactee și Andromeda (M31), Galaxia Triunghiului și sateliții lor – Nori Magellanici Mari și Mici, Galaxiile pitic din Marele Dog, Pegasus, Kiel, Sextant, Phoenix și multe altele – toate în număr de aproximativ cincizeci. Grupul local, la rândul său, este membru al superclusterului Virgo local. Imagine: Mecanică populară

Atât Calea Lactee cât și Andromeda vecină au cel puțin 14 sateliți și, cel mai probabil,ele sunt mult mai multe. Galaxiile doresc să se unească în perechi, triple și grupuri mai mari de zeci de parteneri înruditori gravitaționali. Asociațiile mai mari, grupurile galactice, conțin sute și mii de galaxii (primul dintre aceste grupuri a fost descoperit de Messier). Uneori, o galaxie gigantică deosebit de luminată se observă în centrul clusterului, care a apărut, se crede, în procesul de fuzionare a unor galaxii mai mici. Și, în sfârșit, există și superclusteri, care includ clustere și grupuri galactice, precum și galaxii individuale. De obicei, acestea sunt structuri alungite până la sute de megaparseci. Ele sunt separate aproape complet de galaxii, goluri spațioase de aceeași dimensiune. Superclusterii nu mai sunt organizați în structuri de ordin superior și sunt împrăștiați în spațiu în mod aleatoriu. Din acest motiv, pe scara câtorva sute de megaparseci, Universul nostru este omogen și izotrop.

Toate celelalte galaxii sunt considerate neregulate. Acestea conțin o mulțime de praf și gaze naturale și dau naștere în mod activ tinerilor stele. La distanțe moderate față de Calea Lactee există câteva astfel de galaxii, doar 3%. Cu toate acestea, printre obiectele cu un redshift mare, a cărui lumină a fost emisă nu mai târziu de 3 miliarde de ani după Big Bang, cota lor crește brusc.Se pare că toate sistemele de stele ale primei generații erau mici și aveau contururi greșite, iar galaxiile mari discoide și eliptice au apărut mult mai târziu.

Nașterea galaxiilor

Galaxiile s-au născut la scurt timp după stele. Se crede că primele lumini au izbucnit nu mai târziu de 150 de milioane de ani după Big Bang. În ianuarie 2011, o echipă de astronomi care au prelucrat informații de la Telescopul spațial Hubble a raportat o observație probabilă a unei galaxii a cărei lumină a intrat în spațiu la 480 de milioane de ani după Big Bang. În aprilie, un alt grup de cercetare a descoperit o galaxie care, după toate probabilitățile, a fost deja formată pe deplin atunci când tânărul univers a fost de aproximativ 200 de milioane de ani.

Cale blând

Soarele orbiteaza in jurul unei galaxii spirale obisnuite, formata din 200-400 de miliarde de stele.

Diametrul său este aproximativ egal cu 28 kiloparsec (puțin mai mult de 90 de mii de ani-lumină). Raza orbitei solare intragalactice este de 8,5 kiloparsec (deci steaua noastra este deplasata la marginea exterioara a discului galactic), timpul unei revolutii complete in jurul centrului Galaxiei este de aproximativ 250 ma.Deformarea Calei Lactee are o formă elipsoidă și este înzestrată cu un bar, care a fost descoperit abia recent. În centrul bulgeului se află un nucleu compact plin de stele de diferite vârste – de la câteva milioane de ani până la un miliard și mai în vârstă. În interiorul miezului, în spatele unui nor dens de praf se găsește o gaură neagră care este destul de modestă prin standarde galactice – doar 3,7 milioane de mase solare.

Harta insulei noastre
Utilizarea imaginilor în infraroșu ale telescopului spațial SpitzerAstronomii hartă calea Lactee. Se compune din două brațe spirale cele mai mari, Centaurus și Shieldul Perseus, conectate printr-un bar, și două brațe mai mici, Sagetatorul și Piața, pline de nori de gaz și regiuni formate de stele. Chiar și mânecile mai mici includ mâneci exterioare, exterioare și mijlocii, de 3 kiloparsec. Sistemul nostru solar este în brațul mic al Orionului. Imagine: Mecanică populară

Galaxia noastră are un disc dublu. Ponderea discului intern, care nu are mai mult de 500 de parsecuri pe verticală, reprezintă 95% din stelele din zona discului, inclusiv toate stelele luminoase tinere.Acesta acoperă discul exterior cu o grosime de 1500 parsec, unde trăiesc stele mai în vârstă. Grosimea discului de praf de gaz al Calea Lactee nu este mai mică de 3,5 kiloparsecs. Cele patru manșoane spirală ale discului – zone cu o densitate crescută a mediului de praf de gaz – conțin cele mai multe dintre cele mai masive stele.
Diametrul halo-ului Calei Lactee nu este mai mic decât dublul diametrului discului. Au găsit aproximativ 150 de grupări globulare, vârsta celor mai vechi depășește 13 miliarde de ani. Halo-ul este umplut cu materie întunecată de o structură ciudată. Conform celor mai recente date, forma halo este o minge semnificativ aplatizata. Masa totală a galaxiei poate fi de până la 3 trilioane de mase solare, iar cota materiei întunecate reprezintă 90-95%. Masa stelelor din Calea Lactee este estimată la 90-100 miliarde de mase solare.

Condițiile pentru nașterea stelelor și a galaxiilor au apărut cu mult înainte de a începe. Când universul a trecut de vârsta de 400.000 de ani, plasmă din spațiul cosmic a fost înlocuită cu un amestec de heliu neutru și hidrogen. Acest gaz era încă prea fierbinte ca să se prăbușească în nori moleculari care dădeau naștere stelelor. Totuși, a coexistat cu particule de materie întunecată, care inițial nu erau destul de uniform distribuite în spațiu – unde este ușor mai densă, unde este mai subțire.Ei nu au interacționat cu gazul baryon și, prin urmare, sub acțiunea atracției reciproce, au plutit liber în zone cu densitate crescută. Conform calculelor modelului, deja o sută de milioane de ani după Big Bang-ul în spațiu, s-au format norii întunecați de mărimea actualului sistem solar. Ei s-au unit în structuri mai mari, în ciuda extinderii spațiului. Deci, au fost clustere de nori de materie întunecată, și apoi clustere de aceste clustere. Au tras în spațiul gazos, oferindu-i posibilitatea de a se îngroșa și de a se prăbuși. În acest fel, au apărut primele stele supermassive, care au explodat rapid cu supernove și au lăsat în urma găuri negre. Aceste explozii au îmbogățit spațiul exterior cu elemente mai grele decât heliul, care au contribuit la răcirea noroaselor de gaze care se prăbușesc și, prin urmare, au făcut posibilă apariția unor stele mai puțin masive de a doua generație. Astfel de stele ar putea exista deja de miliarde de ani și, prin urmare, au putut să formeze (din nou, cu ajutorul materiei întunecate) sisteme legate gravitațional. Astfel au apărut galaxiile de lungă durată, inclusiv ale noastre.

"Multe detalii despre galactogeneza sunt inca ascunse in ceață", spune John Kormendi. "În special, aceasta se referă la rolul găurilor negre, masele lor variind de la zeci de mii de mase solare până la recordul absolut până în prezent, 6,6 miliarde de mase solare aparținând negru o gaură din nucleul unei galaxii eliptice M87, situată la 53,5 milioane de ani lumină de la Soare. Gaurile din centrele galaxiilor eliptice sunt, de obicei, înconjurate de bulgări formate din stele vechi. Algy masa găurii negre este de obicei trei ordine de mărime mai mică decât masa umflatura – .. desigur, în cazul în care acea persoană este prezentă Acest model este confirmat de observații, care acoperă masa găurii de milioane de miliarde de mase solare ".

Potrivit profesorului Kormendi, găurile negre galactice câștigă masa în două moduri. Gaura, înconjurată de o umflatură plină, crește datorită absorbției gazului, care ajunge la umflătura din zona exterioară a galaxiei. În timpul fuzionării galaxiilor intensitatea influxului acestui gaz crește brusc, ceea ce inițiază izbucnirea unor quasari. Ca rezultat, înfilete și găuri evoluează în paralel, ceea ce explică corelația dintre masele lor (deși pot funcționa alte mecanisme încă necunoscute).

Un lucru diferit este galaxiile fără potrivire și galaxiile pseudo-chelate. Masele găurilor lor nu depășesc de obicei 10 ani4-106 masele solare. Potrivit profesorului Kormendi, acestea sunt alimentate cu gaz datorită proceselor aleatorii care apar în apropierea găurii și nu se extind la întreaga galaxie. O astfel de gaură crește indiferent de evoluția galaxiei sau a pseudobalge-ului ei, ceea ce explică lipsa corelației dintre masele lor.

Cultivarea galaxiilor

Galaxiile pot crește atât mărimea cât și masa. "În trecutul îndepărtat, galaxiile au făcut acest lucru mult mai eficient decât în ​​epocile cosmologice recente", explică Gart Illingworth, profesor de astronomie și astrofizică la Universitatea din California de la Santa Cruz. masa de Soare) pe unitatea de volum a spațiului cosmic (de obicei, un megaparsek cubic). La momentul formării primelor galaxii, această cifră a fost foarte mică și apoi a intrat în creștere rapidă, să fie extinsă la atâta timp cât universul este sub 2 miliarde de. ani. Un alt 3 miliarde de euro.de ani de zile a fost relativ constantă, atunci a început să scadă aproape proporțional cu timpul, iar declinul continuă până în prezent. Deci, cu 7-8 miliarde de ani în urmă, rata medie de formare a stelelor a fost de 10-20 de ori mai mare decât cea modernă. Cele mai multe galaxii observabile sunt deja pe deplin formate în acea epocă îndepărtată. "

Coaseți pe mânecile din Calea Lactee

În figura – rezultatele evoluției la diferite momente în timp – configurația inițială (o), prin 0,9 (b), 1,8 (c) și 2,65 miliarde de ani (d). Conform calculelor modelului, bara și brațele spirale ale Calei Lactee ar fi putut fi formate ca urmare a coliziunilor cu SagDEG, care au tras inițial 50-100 de miliarde de mase solare. De două ori a trecut prin discul galaxiei noastre și a pierdut o parte din materia sa (atât obișnuită cât și întunecată), provocând perturbări ale structurii sale. Masa actuală a lui SagDEG nu depășește zeci de milioane de mase solare, iar următoarea coliziune, care se așteaptă nu mai târziu de 100 de milioane de ani, este probabil cea mai recentă. Imagine: Mecanică populară

Cercetătorii de la Universitatea din Pittsburgh, Universitatea din California, Irvine și Universitatea Atlantic din Florida au modelat situația coliziunii Calei Lactee și predecesorului galaxiei eliptice pitic în Sagetator (Sagetator Galaxie eliptică pitic, SagDEG). Au analizat două variante de coliziuni – cu lumină (3×1010 masele soarelui) și grele (1011 masa Soarelui) SagDEG. Cifra (de jos), de la stânga la dreapta, arată rezultatele celor 2,7 miliarde de ani de evoluție a Căii Lactee fără interacțiune cu galaxia pitic și interacțiunea cu variantele ușoare și grele ale SagDEG.

În termeni generali, această tendință este clară. Galaxiile cresc în două moduri principale. În primul rând, ei primesc material proaspăt pentru formarea stelelor, pentru a extrage gaze și particule de praf din spațiul din jur. Pentru câțiva miliarde de ani după Big Bang, acest mecanism a funcționat corect, pur și simplu pentru că a fost suficient material pentru stele în spațiu pentru toată lumea. Apoi, când rezervele au fost epuizate, rata nașterii stelei a scăzut. Cu toate acestea, galaxiile au găsit o oportunitate de a le crește datorită coliziunii și fuziunii. Cu toate acestea, pentru a pune în aplicare această opțiune, este necesar ca galaxiile care se ciocnesc să aibă o cantitate decentă de hidrogen interstelar. Galaxiile eliptice mari, în cazul în care acestea sunt aproape dispărute, fuziunea nu ajută, dar în discoide și incorecte funcționează.

Curs pentru o coliziune

Să vedem ce se întâmplă atunci când două galaxii de tip asemănător discului se amestecă. Stelele lor nu se ciocnesc niciodată – distanțele dintre ele sunt prea mari. Cu toate acestea, discul de gaz al fiecărei galaxii simte forțe de maree datorită atracției unui vecin. Subiectul baryon al discului pierde o parte din impulsul unghiular și se îndreaptă spre centrul galaxiei, unde se produc condiții pentru creșterea explozivă a ratei de formare a stelelor. O parte din această substanță este absorbită de găurile negre, care câștigă și masa. În faza finală a fuzionării galaxiilor, găurile negre se îmbină, iar discurile stelare ale ambelor galaxii își pierd structura anterioară și se dispersează în spațiu. Ca rezultat, o eliptică este formată dintr-o pereche de galaxii spirale. Dar aceasta nu este o imagine completă. Radiația stelelor luminoase tinere poate să arunce o parte din hidrogen din galaxia nou-născutului. În același timp, acumularea activă a gazului pe o gaură neagră face ca ultimul, din când în când, să tragă în spațiu un jet de particule de energie enormă, care preîncălzește gazul în toată galaxia și astfel împiedică formarea de noi stele. Galaxia treptat dispare – cel mai probabil pentru totdeauna.

Galaxiile de calibru inegal se ciocnesc diferit. O galaxie mare este capabilă să absoarbă un pitic (o dată sau în mai multe etape) și, în același timp, să își păstreze propria structură. Acest canibalism galactic poate stimula formarea stelelor. Galaxia pitică se prăbușește complet, lăsând în urmă lanțuri de stele și jeturi de gaz cosmic, observate atât în ​​Galaxia noastră cât și în Andromeda vecină. Dacă una dintre galaxiile care se ciocnesc nu este prea superioară celeilalte, sunt posibile și efecte mai interesante.

În așteptarea super telescopului

Astronomia galactică a supraviețuit până la cea de-a 90-a aniversare. A început de la zero și a obținut multe. Cu toate acestea, numărul de probleme nerezolvate este foarte mare. Deci, nimeni nu știe când și cum s-au format primele galaxii și cum se formează galaxiile cu structura discului. "Oamenii de stiinta se asteapta foarte mult la telescopul orbital cu infrarosu James Webb, programat sa lanseze in 2018", spune Garth Illingworth. "Din pacate, nu este clar daca acest proiect va fi finalizat – din cauza dificultatilor financiare. va avea loc. "


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: