A galaxisok élete és tanulmányozásuk története

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A bolygók és csillagok tanulmányozásának történetét évezredekben, a Napot, az üstökösöket, aszteroidákat és a meteoritokat évszázadokban mérik. Az Univerzumban szétszórt galaxisok, csillaghalmazok, kozmikus gáz- és porrészecskék azonban csak az 1920-as években váltak tudományos kutatás tárgyává.

A galaxisokat időtlen idők óta megfigyelték. Az éles látású ember meg tudja különböztetni a tejcseppekhez hasonló, világos foltokat az éjszakai égbolton. A 10. században Abd-al-Raman al-Sufi perzsa csillagász az Állócsillagok könyvében két hasonló helyet említett, amelyek ma Nagy Magellán-felhőként ismertek, és az M31 galaxist, más néven Andromédát.

A teleszkópok megjelenésével a csillagászok egyre több ilyen objektumot, úgynevezett ködöt figyeltek meg. Ha Edmund Halley angol csillagász 1716-ban csak hat ködöt sorolt fel, akkor a Charles Messier francia tengerészeti csillagász 1784-ben kiadott katalógusa már 110-et tartalmazott - és ezek között négy tucat valódi galaxist (köztük az M31-et is).

1802-ben William Herschel 2500 ködből álló listát, fia, John pedig 1864-ben egy több mint 5000 ködből álló katalógust adott ki.

Legközelebbi szomszédunk, az Androméda-galaxis (M31) az amatőr csillagászati megfigyelések és fotózások egyik kedvenc égi objektuma.

Ezeknek a tárgyaknak a természete sokáig elkerülte a megértést. A 18. század közepén néhány igényes elme a Tejútrendszerhez hasonló csillagrendszereket látott bennük, de a távcsövek akkor még nem adtak lehetőséget ennek a hipotézisnek a tesztelésére.

Egy évszázaddal később az a vélemény uralkodott, hogy minden köd gázfelhő, amelyet belülről egy fiatal csillag világít meg. Később a csillagászok meg voltak győződve arról, hogy egyes ködök, köztük az Androméda, sok csillagot tartalmaznak, de sokáig nem volt világos, hogy galaxisunkban vagy azon túl találhatóak-e.

Edwin Hubble csak 1923-1924-ben állapította meg, hogy a Föld és az Androméda közötti távolság legalább háromszorosa a Tejút átmérőjének (sőt, körülbelül 20-szorosa), és hogy az M33, egy másik köd a Messier-katalógusban kevésbé távol tőlünk.távolság. Ezek az eredmények egy új tudományos tudományág – a galaktikus csillagászat – kezdetét jelentették.

1926-ban a híres amerikai csillagász, Edwin Powell Hubble javasolta (és 1936-ban korszerűsítette) a galaxisok morfológiájuk szerinti osztályozását. Jellegzetes formája miatt ezt a besorolást „Hubble hangvillának” is nevezik.

A hangvilla „szárán” elliptikus galaxisok, a villa ágain - hüvely nélküli lencse alakú galaxisok és rúdhíd nélküli és rúddal ellátott spirálgalaxisok találhatók. Azokat a galaxisokat, amelyek nem sorolhatók be a felsorolt osztályok közé, szabálytalannak vagy szabálytalannak nevezzük.

Törpék és óriások

Az univerzum tele van különböző méretű és tömegű galaxisokkal. Számuk hozzávetőlegesen ismert. 2004-ben a Hubble keringő teleszkóp három és fél hónap alatt mintegy 10 000 galaxist fedezett fel, a déli Fornax csillagképben az égbolt egy olyan régióját pásztázva, amely százszor kisebb, mint a holdkorong területe.

Ha feltételezzük, hogy a galaxisok azonos sűrűséggel oszlanak el az égi szférán, akkor kiderül, hogy a megfigyelt térben 200 milliárd van, azonban ezt a becslést erősen alábecsüljük, mivel a teleszkóp nem volt képes észrevenni sok nagyon halvány galaxist..

Forma és tartalom

A galaxisok morfológiájukban (vagyis alakjukban) is különböznek. Általában három fő osztályba sorolhatók - korong alakú, elliptikus és szabálytalan (szabálytalan). Ez egy általános besorolás, vannak ennél sokkal részletesebbek is.

A galaxisok egyáltalán nem véletlenszerűen oszlanak el a világűrben. A nagy tömegű galaxisokat gyakran kis műholdgalaxisok veszik körül. Mind a Tejútrendszerünknek, mind a szomszédos Andromédának legalább 14 műholdja van, és valószínűleg sokkal több is van. A galaxisok szeretnek párban, hármasban és több tucat gravitációs kötött partnerből álló nagyobb csoportokban egyesülni.

A nagyobb társulások, a galaktikus halmazok több száz és ezer galaxist tartalmaznak (az első ilyen halmazt Messier fedezte fel). Időnként egy különösen fényes óriásgalaxist figyelnek meg a halmaz közepén, amelyről azt tartják, hogy kisebb galaxisok egyesülése során keletkezett.

És végül vannak szuperhalmazok is, amelyek galaktikus halmazokat és csoportokat, valamint egyes galaxisokat egyaránt tartalmaznak. Általában ezek hosszúkás szerkezetek, akár több száz megaparszek hosszúságúak is. Szinte teljesen galaxismentes, azonos méretű űrüregek választják el őket egymástól.

A szuperhalmazok többé nem szerveződnek magasabb rendű struktúrákba, és véletlenszerűen szóródnak szét a kozmoszban. Emiatt több száz megaparszekes skálán Univerzumunk homogén és izotróp.

A korong alakú galaxis egy csillagpalacsinta, amely a geometriai középpontján áthaladó tengely körül forog. Általában a palacsinta középső zónájának mindkét oldalán van egy ovális dudor (az angol dudorból). A dudor is forog, de kisebb szögsebességgel, mint a korong. A korong síkjában gyakran megfigyelhetők spirális ágak, amelyek viszonylag fiatal fényes világítótestekben bővelkednek. Vannak azonban spirális szerkezet nélküli galaktikus korongok, ahol sokkal kevesebb ilyen csillag van.

A korong alakú galaxis központi zónáját egy csillagsáv - egy rúd - vághatja át. A lemez belsejében lévő teret gáz és por tölti meg – ez az új csillagok és bolygórendszerek forrásanyaga. A galaxisnak két korongja van: csillag- és gázhalmazállapotú.

Egy galaktikus halo veszi körül őket - egy ritka, forró gázból és sötét anyagból álló gömbfelhő, amely a galaxis teljes tömegéhez a fő hozzájárulást adja. A halo egyedi régi csillagokat és gömb alakú csillaghalmazokat (gömbhalmazokat) is tartalmaz, amelyek legfeljebb 13 milliárd évesek. Szinte minden korong alakú galaxis közepén, dudorral vagy anélkül, szupermasszív fekete lyuk található. Az ilyen típusú legnagyobb galaxisok egyenként 500 milliárd csillagot tartalmaznak.

Tejút

A Nap egy egészen hétköznapi spirálgalaxis közepe körül kering, amely 200-400 milliárd csillagot foglal magában. Átmérője körülbelül 28 kiloparszek (valamivel több mint 90 fényév). A Nap intragalaktikus pályájának sugara 8,5 kiloparszek (tehát csillagunk a galaktikus korong külső peremére tolódik), a Galaxis közepe körüli teljes forradalom ideje körülbelül 250 millió év.

A Tejútrendszer domborulata ellipszis alakú, és van egy rúd, amelyet nemrég fedeztek fel. A dudor közepén egy kompakt mag található, amely tele van különböző korú csillagokkal - több millió évestől egymilliárd és annál idősebb csillagokig. A mag belsejében, sűrű, poros felhők mögött galaktikus mércével mérve meglehetősen szerény fekete lyuk található - mindössze 3,7 millió naptömeg.

Galaxisunk kettős csillagkoronggal büszkélkedhet. A belső korong, amelynek függőlegesen legfeljebb 500 parszekja van, a korongzóna csillagainak 95%-át teszi ki, beleértve az összes fiatal fényes csillagot. 1500 parszek vastag külső korong veszi körül, ahol idősebb csillagok élnek. A Tejútrendszer gáznemű (pontosabban gáz-por) korongja legalább 3,5 kiloparszek vastag. A korong négy spirális karja a gáz-por közeg megnövekedett sűrűségű területe, és a legtöbb tömegű csillagot tartalmazza.

A Tejútrendszer halójának átmérője legalább kétszerese a korong átmérőjének. Körülbelül 150 gömbhalmazt fedeztek fel ott, és valószínűleg további körülbelül ötvenet még nem fedeztek fel. A legrégebbi klaszterek több mint 13 milliárd évesek. A glóriát csomós szerkezetű sötét anyag tölti ki.

Egészen a közelmúltig azt hitték, hogy a glória szinte gömb alakú, azonban a legfrissebb adatok szerint jelentősen lapítható. A Galaxis össztömege akár 3 billió naptömeg is lehet, a sötét anyag 90-95%-át teszi ki. A Tejútrendszerben található csillagok tömegét a Nap tömegének 90-100 milliárdszorosára becsülik.

Az elliptikus galaxis, ahogy a neve is sugallja, ellipszoid alakú. Nem forog egészében, ezért nincs tengelyirányú szimmetriája. Többnyire viszonylag kis tömegű és jelentős korú csillagai különböző síkokban keringenek a galaktikus központ körül, és néha nem külön-külön, hanem erősen megnyúlt láncokban.

Az elliptikus galaxisokban az új világítótestek ritkán gyulladnak ki a nyersanyag - molekuláris hidrogén - hiánya miatt.

Az emberekhez hasonlóan a galaxisok is csoportosultak. Helyi Csoportunkba tartozik a körülbelül 3 megaparszek közelében található két legnagyobb galaxis - a Tejútrendszer és az Androméda (M31), a Triangulum galaxis, valamint ezek műholdjai - a Nagy és Kis Magellán-felhők, a Canis Major, Pegasus törpegalaxisai, Carina, Sextant, Phoenix és még sokan mások – összesen körülbelül ötvenen. A helyi csoport viszont a helyi Virgo szuperklaszter tagja.

A legnagyobb és a legkisebb galaxisok is elliptikus típusúak. Képviselőinek teljes részesedése az Univerzum galaktikus populációjában csak körülbelül 20%. Ezek a galaxisok (talán a legkisebbek és leghalványabbak kivételével) szupermasszív fekete lyukakat is rejtenek központi zónájukban. Az elliptikus galaxisoknak is vannak fényudvarjai, de nem olyan tiszták, mint a korong alakú galaxisoké.

Az összes többi galaxist szabálytalannak tekintik. Sok port és gázt tartalmaznak, és aktívan termelnek fiatal csillagokat. A Tejútrendszertől mérsékelt távolságban kevés ilyen galaxis található, mindössze 3%.

Azonban a nagy vöröseltolódású objektumok között, amelyek fényét legkésőbb 3 milliárd évvel az Ősrobbanás után bocsátották ki, arányuk meredeken növekszik. Nyilvánvalóan az első generáció összes csillagrendszere kicsi volt és szabálytalan körvonalakkal rendelkezett, és sokkal később jelentek meg a nagy korong alakú és elliptikus galaxisok.

Galaxisok születése

A galaxisok nem sokkal a csillagok után születtek. Úgy tartják, hogy az első világítótestek legkésőbb 150 millió évvel az Ősrobbanás után villantak fel. 2011 januárjában a Hubble Űrteleszkópból származó információkat feldolgozó csillagászcsoport egy olyan galaxis valószínű megfigyeléséről számolt be, amelynek fénye 480 millió évvel az Ősrobbanás után került az űrbe.

Áprilisban egy másik kutatócsoport felfedezett egy galaxist, amely minden valószínűség szerint már teljesen kialakult, amikor a fiatal univerzum körülbelül 200 millió éves volt.

A csillagok és galaxisok születésének feltételei már jóval a kezdete előtt kialakultak. Amikor az univerzum átlépte a 400 000 éves határt, a világűrben a plazmát semleges hélium és hidrogén keveréke váltotta fel. Ez a gáz még mindig túl forró volt ahhoz, hogy összeolvadjon a molekulafelhőkben, amelyek csillagokat keltenek.

Azonban szomszédos volt a sötét anyag részecskéivel, amelyek kezdetben nem egészen egyenletesen oszlottak el a térben - hol egy kicsit sűrűbb, hol ritkább. Nem léptek kölcsönhatásba a barionos gázzal, ezért a kölcsönös vonzás hatására szabadon összeomlottak a megnövekedett sűrűségű zónákban.

Modellszámítások szerint az Ősrobbanás után százmillió éven belül a jelenlegi Naprendszer méretű sötét anyag felhői alakultak ki az űrben. A tér tágulása ellenére nagyobb szerkezetekké egyesültek. Így keletkeztek a sötétanyag-felhők klaszterei, majd ezeknek a halmazoknak a klaszterei. Beszívták az űrgázt, lehetővé téve az sűrűsödést és összeesést.

Ily módon megjelentek az első szupermasszív csillagok, amelyek gyorsan szupernóvává robbantak és fekete lyukakat hagytak maguk után. Ezek a robbanások a héliumnál nehezebb elemekkel gazdagították a teret, ami segített lehűteni az összeomló gázfelhőket, és így lehetővé tette a kisebb tömegű, második generációs csillagok megjelenését.

Az ilyen csillagok már évmilliárdok óta létezhettek, és ezért képesek voltak (ismét a sötét anyag segítségével) gravitációsan kötött rendszereket létrehozni. Így keletkeztek a hosszú életű galaxisok, köztük a miénk is.

„A galaktogenezis sok részlete még mindig a ködben rejtőzik” – mondja John Kormendy. - Ez különösen a fekete lyukak szerepére vonatkozik. Tömege a több tízezer naptömegtől a jelenlegi abszolút rekordig, 6,6 milliárd naptömegig terjed, amely az M87 elliptikus galaxis magjából származó fekete lyukhoz tartozik, amely 53,5 millió fényévnyire található a Naptól.

Az elliptikus galaxisok középpontjában lévő lyukakat általában régi csillagokból álló dudorok veszik körül. A spirálgalaxisoknak egyáltalán nincsenek kidudorodásaik, vagy lapos hasonlóságaik, pszeudo-dudoraik lehetnek. A fekete lyuk tömege általában három nagyságrenddel kisebb, mint a dudor tömege – természetesen, ha van. Ezt a mintát megerősítik a megfigyelések, amelyek egy milliótól egymilliárd tömegű naptömegű lyukakra vonatkoznak."

Kormendy professzor szerint a galaktikus fekete lyukak kétféleképpen nyernek tömeget. A teljes értékű dudorral körülvett lyuk a galaxis külső zónájából a dudorba jutó gáz elnyelése miatt nő. A galaxisok egyesülése során ennek a gáznak a beáramlásának intenzitása meredeken megnő, ami kvazárok kitörését indítja el.

Ennek eredményeként a dudorok és a lyukak párhuzamosan alakulnak ki, ami megmagyarázza a tömegük közötti összefüggést (de más, egyelőre ismeretlen mechanizmusok is működhetnek).

A Pittsburgh Egyetem, az UC Irvine és a Floridai Atlanti Egyetem kutatói modellezték a Tejútrendszer és a Nyilas Törpe Elliptikus Galaxis (SagDEG) elődjének ütközését a Nyilasban.

Az ütközések két lehetőségét elemezték – egy könnyű (3x10¹⁰naptömegek) és nehéz (10¹¹ naptömegek) SagDEG. Az ábra a Tejútrendszer 2,7 milliárd éves evolúciójának eredményeit mutatja, anélkül, hogy kölcsönhatásba lépne egy törpegalaxissal, valamint a SagDEG könnyű és nehéz változatával.

A kopasztól mentes galaxisok és a pszeudo-dudorokkal rendelkező galaxisok más kérdés. Lyukaik tömege általában nem haladja meg a 104-106 naptömeget. Kormendy professzor szerint a lyuk közelében előforduló véletlenszerű folyamatok miatt táplálják őket gázzal, és nem terjednek ki az egész galaxisra. Egy ilyen lyuk a galaxis evolúciójától vagy pszeudo-dudorától függetlenül növekszik, ami megmagyarázza a tömegeik közötti korreláció hiányát.

Növekvő galaxisok

A galaxisok mérete és tömege egyaránt növekedhet. "A távoli múltban a galaxisok ezt sokkal hatékonyabban tették, mint a közelmúlt kozmológiai korszakaiban" - magyarázza Garth Illingworth, a Santa Cruz-i Kaliforniai Egyetem csillagász- és asztrofizika professzora. - Az új csillagok születési sebességét a világűr egységnyi térfogatára (általában köbmegaparszek) számított egységnyi tömegű csillaganyag (ebben a minőségben a Nap tömege) éves termelésével becsülik.

Az első galaxisok kialakulásakor ez a szám nagyon kicsi volt, majd gyorsan növekedni kezdett, ami egészen az Univerzum 2 milliárd éves koráig folytatódott. További 3 milliárd évig viszonylag állandó volt, majd szinte az idővel arányosan csökkenni kezdett, és ez a csökkenés a mai napig tart. Tehát 7-8 milliárd évvel ezelőtt a csillagkeletkezés átlagos üteme 10-20-szor haladta meg a jelenlegit. A legtöbb megfigyelhető galaxis már teljesen kialakult abban a távoli korszakban."

Az ábra az evolúció eredményeit mutatja különböző időpontokban - a kezdeti konfiguráció (a), 0, 9 (b), 1, 8 © és 2, 65 milliárd év (d) után. Modellszámítások szerint a Tejút rúdja és spirálkarjai a kezdetben 50-100 milliárd naptömeget húzó SagDEG-gel való ütközések eredményeként alakulhattak ki.

Kétszer is áthaladt Galaxisunk korongján, és elvesztette anyagának egy részét (mind a közönséges, mind a sötétben), ami megzavarta szerkezetét. A SagDEG jelenlegi tömege nem haladja meg a több tízmillió naptömegét, és a következő, legkésőbb 100 millió év múlva várható ütközés nagy valószínűséggel az utolsó lesz számára.

Általában véve ez a tendencia érthető. A galaxisok két fő módon növekednek. Először is friss csillagkitörési anyagot nyernek úgy, hogy gáz- és porrészecskéket szívnak be a környező térből. Az Ősrobbanás után több milliárd évig ez a mechanizmus egyszerűen azért működött megfelelően, mert mindenki számára elegendő csillaganyag volt az űrben.

Aztán, amikor a tartalékok kimerültek, a csillagszületések aránya csökkent. A galaxisok azonban megtalálták azt a képességet, hogy ütközések és egyesülések révén növeljék ezt. Igaz, ahhoz, hogy ez a lehetőség megvalósuljon, az ütköző galaxisoknak megfelelő csillagközi hidrogénkészlettel kell rendelkezniük. A nagy elliptikus galaxisoknál, ahol gyakorlatilag eltűnt, az összevonás nem segít, de a korongos és szabálytalan galaxisokban működik.

Ütközéspálya

Nézzük meg, mi történik, ha két nagyjából egyforma korong-típusú galaxis egyesül. Csillagaik szinte soha nem ütköznek össze – túl nagy a távolság köztük. Azonban az egyes galaxisok gáznemű korongja árapály-erőket tapasztal a szomszédjuk gravitációja miatt. A korong barion anyaga elveszíti a szögimpulzus egy részét, és a galaxis középpontjába tolódik, ahol a csillagkeletkezési sebesség robbanásszerű növekedésének feltételei alakulnak ki.

Ennek az anyagnak egy részét a fekete lyukak abszorbeálják, amelyek szintén tömegessé válnak. A galaxisok egyesülésének végső fázisában a fekete lyukak egyesülnek, és mindkét galaxis csillagkorongjai elvesztik korábbi szerkezetüket, és szétszóródnak a térben. Ennek eredményeként egy ellipszis alakul ki spirálgalaxispárból. De ez korántsem a teljes kép. A fiatal fényes csillagok sugárzása kifújhatja a hidrogén egy részét az újszülött galaxisból.

Ugyanakkor a gáz aktív felhalmozódása a fekete lyukba időről időre arra kényszeríti az utóbbit, hogy hatalmas energiájú részecskékből álló sugarakat lövelljenek ki az űrbe, felmelegítve a gázt az egész galaxisban, és így megakadályozzák az új csillagok kialakulását. A galaxis fokozatosan elcsendesedik – valószínűleg örökre.

A különböző méretű galaxisok eltérően ütköznek. Egy nagy galaxis képes elnyelni egy törpegalaxist (egyszer vagy több lépésben), és egyben megőrzi saját szerkezetét. Ez a galaktikus kannibalizmus a csillagkeletkezést is serkentheti.

A törpegalaxis teljesen elpusztult, csillagláncokat és kozmikus gázsugarakat hagyva maga után, amelyeket a mi galaxisunkban és a szomszédos Andromédában is megfigyelnek. Ha az ütköző galaxisok egyike nem túl magas a másiknál, még érdekesebb hatások is lehetségesek.

Várom a szuperteleszkópot

A galaktikus csillagászat csaknem egy évszázadot élt túl. Gyakorlatilag a nulláról indult, és sok mindent elért. A megoldatlan problémák száma azonban igen nagy. A tudósok sokat várnak a James Webb Infravörös Orbiting Teleszkóptól, amelyet 2021-re terveztek felbocsátani.