Formacja i ewolucja galaktyk - Galaxy formation and evolution

Część serii na
Kosmologia fizyczna
Obraz pełnego nieba uzyskany z danych sondy Planck
Wczesny wszechświat
Tła
Ekspansja  · Przyszłość
Komponenty  · Struktura
składniki
Struktura
Eksperymenty
Naukowcy
Historia przedmiotu

Badanie formowania się i ewolucji galaktyk dotyczy procesów, które uformowały heterogeniczny wszechświat od jednorodnego początku, powstawania pierwszych galaktyk, sposobu, w jaki galaktyki zmieniają się w czasie, oraz procesów, które wygenerowały różnorodne struktury obserwowane w pobliskich galaktykach . Przypuszcza się, że formowanie się galaktyk jest wynikiem teorii powstawania struktur w wyniku niewielkich fluktuacji kwantowych w następstwie Wielkiego Wybuchu . Najprostszym modelem, ogólnie zgodnym z obserwowanymi zjawiskami, jest model Lambda-CDM — to znaczy, że skupianie i łączenie pozwala galaktykom akumulować masę, determinując zarówno ich kształt, jak i strukturę.

Powszechnie obserwowane właściwości galaktyk

Schemat stroika Hubble'a przedstawiający morfologię galaktyki

Ze względu na brak możliwości prowadzenia eksperymentów w kosmosie, jedynym sposobem „przetestowania” teorii i modeli ewolucji galaktyk jest porównanie ich z obserwacjami. Wyjaśnienia dotyczące formowania się i ewolucji galaktyk muszą umożliwiać przewidywanie obserwowanych właściwości i typów galaktyk.

Edwin Hubble stworzył pierwszy schemat klasyfikacji galaktyk znany jako diagram kamertonowy Hubble'a. Podzielił galaktyki na eliptyczne , normalne spirale , spirale z poprzeczką (takie jak Droga Mleczna ) i nieregularne . Te typy galaktyk wykazują następujące właściwości, które można wyjaśnić aktualnymi teoriami ewolucji galaktyk:

  • Wiele właściwości galaktyk (w tym diagram barwy i jasności galaktyki ) wskazuje, że istnieją zasadniczo dwa rodzaje galaktyk. Grupy te dzielą się na niebieskie galaktyki gwiazdotwórcze, które są bardziej podobne do typów spiralnych, oraz czerwone galaktyki nie tworzące gwiazd, które bardziej przypominają galaktyki eliptyczne.
  • Galaktyki spiralne są dość cienkie, gęste i obracają się stosunkowo szybko, podczas gdy gwiazdy w galaktykach eliptycznych mają losowo zorientowane orbity.
  • Większość gigantycznych galaktyk zawiera w swoich centrach supermasywną czarną dziurę o masie od milionów do miliardów mas Słońca . Masa czarnej dziury jest powiązana z wybrzuszeniem galaktyki macierzystej lub masą sferoidy.
  • Metaliczność ma dodatnią korelację z bezwzględną jasnością (jasnością) galaktyki.

Istnieje powszechne błędne przekonanie, że Hubble błędnie wierzył, że diagram kamertonowy opisuje sekwencję ewolucyjną galaktyk, od galaktyk eliptycznych przez soczewki soczewkowe po galaktyki spiralne. Nie o to chodzi; zamiast tego wykres kamertonu pokazuje ewolucję od prostych do złożonych bez zamierzonych konotacji czasowych. Astronomowie uważają teraz, że galaktyki dyskowe prawdopodobnie powstały jako pierwsze, a następnie przekształciły się w galaktyki eliptyczne poprzez łączenie się galaktyk.

Obecne modele przewidują również, że większość masy w galaktykach składa się z ciemnej materii , substancji, której nie można bezpośrednio zaobserwować i która może nie oddziaływać za pomocą żadnych środków poza grawitacją. Ta obserwacja pojawia się, ponieważ galaktyki nie mogłyby powstać tak, jak mają, ani obracać się tak, jak są widziane, chyba że zawierają znacznie większą masę niż można bezpośrednio zaobserwować.

Powstawanie galaktyk dyskowych

Najwcześniejszym etapem ewolucji galaktyk jest formacja. Kiedy formuje się galaktyka, ma kształt dysku i jest nazywana galaktyką spiralną ze względu na spiralne struktury „ramienia” znajdujące się na dysku. Istnieją różne teorie na temat tego, jak ten dyskowy rozkład gwiazd rozwija się z obłoku materii: jednak obecnie żadna z nich nie przewiduje dokładnie wyników obserwacji.

Teorie odgórne

Olin Eggen , Donald Lynden-Bell i Allan Sandage w 1962 zaproponowali teorię, że galaktyki dyskowe powstają poprzez monolityczne zapadanie się dużego obłoku gazu. Rozkład materii we wczesnym wszechświecie odbywał się w skupiskach, które składały się głównie z ciemnej materii. Te kępy oddziaływały grawitacyjnie, nakładając na siebie nawzajem momenty pływowe, które nadawały im pewien moment pędu. Gdy materia barionowa ochładzała się, rozpraszała część energii i kurczyła się w kierunku centrum. Przy zachowaniu momentu pędu materia w pobliżu środka przyspiesza swój obrót. Następnie, jak wirująca kula ciasta na pizzę, materia formuje się w ciasny dysk. Gdy dysk ostygnie, gaz nie jest stabilny grawitacyjnie, więc nie może pozostać pojedynczą jednorodną chmurą. Pęka, a te mniejsze obłoki gazu tworzą gwiazdy. Ponieważ ciemna materia nie rozprasza się, ponieważ oddziałuje tylko grawitacyjnie, pozostaje rozproszona na zewnątrz dysku w tak zwanym ciemnym halo . Obserwacje pokazują, że poza dyskiem znajdują się gwiazdy, co nie do końca pasuje do modelu „ciasta na pizzę”. Leonard Searle i Robert Zinn po raz pierwszy zaproponowali, że galaktyki powstają przez koalescencję mniejszych przodków. Teoria ta, znana jako odgórny scenariusz formacji, jest dość prosta, ale nie jest już powszechnie akceptowana.

Teorie oddolne

Nowsze teorie obejmują tworzenie się skupisk halo ciemnej materii w procesie oddolnym. Zamiast dużych obłoków gazu zapadających się, tworząc galaktykę, w której gaz rozpada się na mniejsze obłoki, proponuje się, aby materia powstała w tych „mniejszych” grudkach (masa rzędu gromad kulistych ), a następnie wiele z tych grup połączyło się do formowania galaktyk, które następnie były przyciągane grawitacją do formowania gromad galaktyk . To nadal skutkuje dyskowymi rozkładami materii barionowej z ciemną materią tworzącą halo z tych samych powodów, co w teorii odgórnej. Modele wykorzystujące tego rodzaju procesy przewidują więcej małych galaktyk niż dużych, co odpowiada obserwacjom.

Astronomowie nie wiedzą obecnie, jaki proces zatrzymuje skurcz. W rzeczywistości teorie formowania się galaktyk dyskowych nie są skuteczne w określaniu prędkości obrotowej i rozmiaru galaktyk dyskowych. Sugerowano, że promieniowanie z jasnych nowo powstałych gwiazd lub z aktywnego jądra galaktyki może spowolnić kurczenie się tworzącego się dysku. Sugerowano również, że halo ciemnej materii może przyciągać galaktykę, zatrzymując w ten sposób kurczenie się dysku.

Model Lambda-CDM to model kosmologiczny, który wyjaśnia powstanie wszechświata po Wielkim Wybuchu . Jest to stosunkowo prosty model, który przewiduje wiele właściwości obserwowanych we wszechświecie, w tym względną częstotliwość różnych typów galaktyk; jednak zaniża liczbę cienkich galaktyk dyskowych we wszechświecie. Powodem jest to, że te modele formowania się galaktyk przewidują dużą liczbę fuzji. Jeśli galaktyki dyskowe połączą się z inną galaktyką o porównywalnej masie (co najmniej 15% jej masy), połączenie prawdopodobnie zniszczy lub co najmniej znacznie zakłóci dysk, a wynikowa galaktyka nie powinna być galaktyką dyskową (patrz następna sekcja ). Chociaż pozostaje to nierozwiązanym problemem dla astronomów, niekoniecznie oznacza to, że model Lambda-CDM jest całkowicie błędny, ale raczej wymaga dalszego udoskonalenia, aby dokładnie odtworzyć populację galaktyk we Wszechświecie.

Fuzje galaktyk i powstawanie galaktyk eliptycznych

Obraz artysty przedstawiający ognistą burzę narodzin gwiazd głęboko w jądrze młodej, rosnącej galaktyki eliptycznej.
NGC 4676 ( Mysie Galaktyki ) jest przykładem obecnego połączenia.
Do Galaktyki Czułki są parą zderzających się galaktyk - Jasne, niebieskie węzły są młode gwiazdy, które niedawno zapalić w wyniku fuzji.
ESO 325-G004 , typowa galaktyka eliptyczna.
Główny artykuł: Fuzja Galaxy

Galaktyki eliptyczne (takie jak IC 1101 ) należą do największych znanych dotychczas. Ich gwiazdy znajdują się na orbitach, które są losowo zorientowane w galaktyce (tj. nie obracają się jak galaktyki dyskowe). Cechą wyróżniającą galaktyki eliptyczne jest to, że prędkość gwiazd niekoniecznie przyczynia się do spłaszczenia galaktyki, tak jak w galaktykach spiralnych. Galaktyki eliptyczne mają centralne supermasywne czarne dziury , a masy tych czarnych dziur korelują z masą galaktyki.

Galaktyki eliptyczne mają dwa główne etapy ewolucji. Pierwsza jest spowodowana wzrostem supermasywnej czarnej dziury poprzez akrecję gazu chłodzącego. Drugi etap charakteryzuje się stabilizacją czarnej dziury poprzez tłumienie chłodzenia gazu, pozostawiając w ten sposób galaktykę eliptyczną w stanie stabilnym. Masa czarnej dziury jest również skorelowana z właściwością zwaną sigma, która jest dyspersją prędkości gwiazd na ich orbitach. Ta zależność, znana jako relacja M-sigma , została odkryta w 2000 roku. W galaktykach eliptycznych w większości brakuje dysków, chociaż niektóre wybrzuszenia galaktyk dyskowych przypominają galaktyki eliptyczne. Galaktyki eliptyczne są bardziej prawdopodobne w zatłoczonych regionach wszechświata (takich jak gromady galaktyk ).

Astronomowie postrzegają teraz galaktyki eliptyczne jako jedne z najbardziej rozwiniętych systemów we wszechświecie. Powszechnie przyjmuje się, że główną siłą napędową ewolucji galaktyk eliptycznych są łączenie się mniejszych galaktyk. Wiele galaktyk we wszechświecie jest grawitacyjnie związanych z innymi galaktykami, co oznacza, że ​​nigdy nie unikną wzajemnego przyciągania. Jeśli galaktyki są podobnej wielkości, wynikowa galaktyka będzie wyglądać podobnie do żadnej z przodków, ale będzie eliptyczna. Istnieje wiele rodzajów łączenia się galaktyk, które niekoniecznie prowadzą do powstania galaktyk eliptycznych, ale prowadzą do zmian strukturalnych. Na przykład uważa się, że drobne połączenie ma miejsce między Drogą Mleczną a Obłokami Magellana.

Fuzje między tak dużymi galaktykami są uważane za gwałtowne, a oddziaływanie tarcia gazu między dwiema galaktykami może powodować grawitacyjne fale uderzeniowe , które są zdolne do formowania nowych gwiazd w nowej galaktyce eliptycznej. Sekwencjonując kilka obrazów różnych zderzeń galaktyk, można obserwować oś czasu dwóch galaktyk spiralnych łączących się w jedną galaktykę eliptyczną.

W Grupie Lokalnej Droga Mleczna i Galaktyka Andromedy są związane grawitacyjnie i obecnie zbliżają się do siebie z dużą prędkością. Symulacje pokazują, że Droga Mleczna i Andromeda znajdują się na kursie kolizyjnym i oczekuje się, że zderzą się za mniej niż pięć miliardów lat. Podczas tej kolizji oczekuje się, że Słońce i reszta Układu Słonecznego zostaną wyrzucone z obecnej ścieżki wokół Drogi Mlecznej. Pozostałość może być gigantyczną galaktyką eliptyczną.

Gaszenie galaktyki

Powstawanie gwiazd w dzisiejszych "martwych" galaktykach rozprzestrzeniło się miliardy lat temu.
Główny artykuł: hartowanie (astronomia)

Jedną z obserwacji (patrz wyżej), którą należy wyjaśnić za pomocą udanej teorii ewolucji galaktyk, jest istnienie dwóch różnych populacji galaktyk na diagramie barwa-wielkość galaktyki. Większość galaktyk ma tendencję do wpadania w dwie oddzielne lokacje na tym diagramie: „czerwony ciąg” i „niebieski obłok”. Galaktyki o czerwonej sekwencji są generalnie galaktykami eliptycznymi, które nie tworzą gwiazd, z niewielką ilością gazu i pyłu, podczas gdy galaktyki z niebieskim obłokiem są zwykle zakurzonymi galaktykami spiralnymi tworzącymi gwiazdy.

Jak opisano w poprzednich rozdziałach, galaktyki mają tendencję do ewoluowania od struktury spiralnej do eliptycznej poprzez łączenie się. Jednak obecne tempo łączenia się galaktyk nie wyjaśnia, w jaki sposób wszystkie galaktyki przechodzą z „niebieskiego obłoku” do „czerwonej sekwencji”. Nie wyjaśnia również, w jaki sposób w galaktykach ustaje formowanie się gwiazd. Teorie ewolucji galaktyk muszą zatem być w stanie wyjaśnić, w jaki sposób w galaktykach następuje zanikanie formowania się gwiazd. Zjawisko to nazywane jest „gaszeniem galaktyk”.

Gwiazdy powstają z zimnego gazu (patrz także prawo Kennicutta-Schmidta ), więc galaktyka jest wygaszona, gdy nie ma już zimnego gazu. Uważa się jednak, że wygaszanie następuje stosunkowo szybko (w ciągu 1 miliarda lat), co jest znacznie krótsze niż czas, w którym galaktyka po prostu zużywa swój rezerwuar zimnego gazu. Modele ewolucji galaktyk wyjaśniają to poprzez postawienie hipotezy o innych fizycznych mechanizmach, które usuwają lub odcinają dopływ zimnego gazu w galaktyce. Mechanizmy te można ogólnie podzielić na dwie kategorie: (1) mechanizmy prewencyjnego sprzężenia zwrotnego, które powstrzymują zimny gaz przed wnikaniem do galaktyki lub wytwarzaniem gwiazd, oraz (2) mechanizmy wyrzutowego sprzężenia zwrotnego, które usuwają gaz tak, że nie może on tworzyć gwiazd.

Jeden z teorii mechanizmu zapobiegawczego zwany „uduszeniem” zapobiega przedostawaniu się zimnego gazu do galaktyki. Duszenie jest prawdopodobnie głównym mechanizmem wygaszania powstawania gwiazd w pobliskich galaktykach o małej masie. Dokładne fizyczne wyjaśnienie uduszenia jest wciąż nieznane, ale może to mieć związek z interakcjami galaktyki z innymi galaktykami. Gdy galaktyka wpada do gromady galaktyk, oddziaływania grawitacyjne z innymi galaktykami mogą ją udusić, zapobiegając akrecji większej ilości gazu. W przypadku galaktyk z masywnymi halo ciemnej materii , inny mechanizm prewencyjny, zwany „ ogrzaniem wstrząsem wirusowym ”, może również zapobiegać ochładzaniu się gazu na tyle, by mogły powstawać gwiazdy.

Procesy wyrzutowe, które wyrzucają zimny gaz z galaktyk, mogą wyjaśniać, jak wygaszone są bardziej masywne galaktyki. Jeden mechanizm wyrzutowy jest spowodowany supermasywnymi czarnymi dziurami znajdującymi się w centrach galaktyk. Symulacje wykazały, że gaz akrecyjny na supermasywnych czarnych dziurach w centrach galaktyk wytwarza wysokoenergetyczne dżety ; uwolniona energia może wyrzucić wystarczającą ilość zimnego gazu, aby wygasić powstawanie gwiazd.

Wydaje się, że nasza własna Droga Mleczna i pobliska Galaktyka Andromedy przechodzą obecnie proces gaszenia od niebieskich galaktyk tworzących gwiazdy do pasywnych czerwonych galaktyk.

Galeria

  • NGC 3610 pokazuje pewną strukturę w postaci jasnego dysku, co sugeruje, że uformowała się ona niedawno.

  • NGC 891 , bardzo cienka galaktyka dyskowa

  • Zdjęcie Messiera 101 , prototypowej galaktyki spiralnej widzianej z przodu

  • Galaktyka spiralna ESO 510-G13 została wypaczona w wyniku zderzenia z inną galaktyką. Po całkowitym wchłonięciu drugiej galaktyki zniekształcenie zniknie. Proces zwykle trwa miliony, jeśli nie miliardy lat.

Zobacz też

Dalsza lektura

  • Mo, Houjun; van den Boscha, Franka; White, Simon (czerwiec 2010), formacja i ewolucja galaktyki (1 wyd.), Cambridge University Press , ISBN 978-0521857932

Bibliografia

Zewnętrzne linki