Kehidupan galaksi dan sejarah kajian mereka

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Sejarah kajian planet dan bintang diukur dalam beribu tahun, Matahari, komet, asteroid dan meteorit - dalam berabad-abad. Tetapi galaksi, yang bertaburan di seluruh Alam Semesta, gugusan bintang, gas kosmik dan zarah debu, menjadi objek penyelidikan saintifik hanya pada tahun 1920-an.

Galaksi telah diperhatikan sejak dahulu lagi. Seseorang yang mempunyai penglihatan yang tajam boleh membezakan bintik-bintik cahaya di langit malam, sama seperti titisan susu. Pada abad ke-10, ahli astronomi Parsi Abd-al-Raman al-Sufi menyebut dalam Book of Fixed Stars dua tempat yang serupa, kini dikenali sebagai Awan Magellan Besar dan galaksi M31, aka Andromeda.

Dengan kemunculan teleskop, ahli astronomi telah memerhati lebih banyak objek ini, dipanggil nebula. Jika ahli astronomi Inggeris Edmund Halley menyenaraikan hanya enam nebula pada tahun 1716, maka katalog yang diterbitkan pada tahun 1784 oleh ahli astronomi laut Perancis Charles Messier sudah mengandungi 110 - dan antaranya empat dozen galaksi sebenar (termasuk M31).

Pada tahun 1802, William Herschel menerbitkan senarai 2,500 nebula, dan anaknya John menerbitkan katalog lebih daripada 5,000 nebula pada tahun 1864.

Jiran terdekat kami, galaksi Andromeda (M31), adalah salah satu objek angkasa kegemaran untuk pemerhatian astronomi dan fotografi amatur.

Sifat objek ini telah lama mengelak pemahaman. Pada pertengahan abad ke-18, beberapa minda yang arif melihat di dalamnya sistem bintang yang serupa dengan Bima Sakti, tetapi teleskop pada masa itu tidak memberi peluang untuk menguji hipotesis ini.

Satu abad kemudian, pendapat berlaku bahawa setiap nebula adalah awan gas yang diterangi dari dalam oleh bintang muda. Kemudian, ahli astronomi yakin bahawa beberapa nebula, termasuk Andromeda, mengandungi banyak bintang, tetapi untuk masa yang lama tidak jelas sama ada ia terletak di Galaxy kita atau seterusnya.

Hanya pada tahun 1923-1924 Edwin Hubble menentukan bahawa jarak dari Bumi ke Andromeda adalah sekurang-kurangnya tiga kali diameter Bima Sakti (sebenarnya, kira-kira 20 kali ganda) dan bahawa M33, satu lagi nebula daripada katalog Messier, tidak kurang jauh dari kita.jarak. Keputusan ini menandakan permulaan disiplin saintifik baharu - astronomi galaksi.

Pada tahun 1926, ahli astronomi Amerika terkenal Edwin Powell Hubble mencadangkan (dan pada tahun 1936 memodenkan) klasifikasi galaksinya mengikut morfologinya. Kerana bentuk cirinya, klasifikasi ini juga dipanggil "Fork Tuning Hubble".

Pada "batang" garpu tala terdapat galaksi elips, pada serampang garpu - galaksi lentikular tanpa lengan dan galaksi lingkaran tanpa jambatan palang dan dengan palang. Galaksi yang tidak boleh diklasifikasikan sebagai salah satu kelas yang disenaraikan dipanggil tidak teratur, atau tidak teratur.

Orang kerdil dan gergasi

Alam semesta dipenuhi dengan galaksi yang berbeza saiz dan jisim. Bilangan mereka diketahui lebih kurang. Pada tahun 2004, teleskop mengorbit Hubble menemui kira-kira 10,000 galaksi dalam tiga setengah bulan, mengimbas di buruj selatan Fornax kawasan langit yang seratus kali lebih kecil daripada luas cakera bulan.

Jika kita mengandaikan bahawa galaksi diedarkan di atas sfera cakerawala dengan ketumpatan yang sama, ternyata terdapat 200 bilion dalam ruang yang diperhatikan. Walau bagaimanapun, anggaran ini amat dipandang remeh, kerana teleskop tidak dapat melihat banyak galaksi yang sangat samar..

Bentuk dan kandungan

Galaksi juga berbeza dalam morfologi (iaitu, dalam bentuk). Secara umum, mereka dibahagikan kepada tiga kelas utama - berbentuk cakera, elips dan tidak teratur (tidak teratur). Ini adalah klasifikasi umum, terdapat yang lebih terperinci.

Galaksi tidak sama sekali diagihkan secara rawak di angkasa lepas. Galaksi besar selalunya dikelilingi oleh galaksi satelit kecil. Kedua-dua Bima Sakti kita dan Andromeda yang berdekatan mempunyai sekurang-kurangnya 14 satelit, dan kemungkinan besar terdapat banyak lagi. Galaksi suka bersatu secara berpasangan, kembar tiga dan kumpulan yang lebih besar daripada berpuluh-puluh pasangan yang terikat secara graviti.

Persatuan yang lebih besar, gugusan galaksi, mengandungi ratusan dan ribuan galaksi (yang pertama daripada gugusan tersebut ditemui oleh Messier). Ada kalanya, galaksi gergasi yang sangat terang diperhatikan di tengah gugusan, yang dipercayai timbul semasa penggabungan galaksi yang lebih kecil.

Dan akhirnya, terdapat juga supercluster, yang merangkumi kedua-dua gugusan dan kumpulan galaksi, dan galaksi individu. Biasanya ini adalah struktur memanjang sehingga ratusan megaparsec panjangnya. Mereka dipisahkan oleh lompang angkasa yang hampir sepenuhnya bebas galaksi dengan saiz yang sama.

Superkluster tidak lagi disusun ke dalam mana-mana struktur yang lebih tinggi dan bertaburan di seluruh Kosmos secara rawak. Atas sebab ini, pada skala beberapa ratus megaparsec, Alam Semesta kita adalah homogen dan isotropik.

Galaksi berbentuk cakera ialah lempeng bintang yang berputar mengelilingi paksi yang melalui pusat geometrinya. Biasanya pada kedua-dua belah zon tengah pancake terdapat bulge bujur (dari bulge Inggeris). Bonjolan juga berputar, tetapi dengan halaju sudut yang lebih rendah daripada cakera. Dalam satah cakera, cawangan lingkaran sering diperhatikan, banyak terdapat dalam cahaya terang yang agak muda. Walau bagaimanapun, terdapat cakera galaksi tanpa struktur lingkaran, di mana terdapat lebih sedikit bintang sedemikian.

Zon tengah galaksi berbentuk cakera boleh dipotong oleh bar bintang - bar. Ruang di dalam cakera diisi dengan medium gas dan habuk - bahan sumber untuk bintang baru dan sistem planet. Galaksi mempunyai dua cakera: bintang dan gas.

Mereka dikelilingi oleh halo galaksi - awan sfera gas panas jarang dan jirim gelap, yang memberikan sumbangan utama kepada jumlah jisim galaksi. Halo juga mengandungi bintang lama individu dan gugusan bintang globular (kelompok globular) sehingga 13 bilion tahun. Di tengah-tengah hampir mana-mana galaksi berbentuk cakera, dengan atau tanpa bonjolan, terdapat lubang hitam supermasif. Galaksi terbesar jenis ini mengandungi 500 bilion bintang setiap satu.

Bima Sakti

Matahari beredar mengelilingi pusat galaksi lingkaran yang agak biasa, yang merangkumi 200-400 bilion bintang. Diameternya adalah kira-kira 28 kiloparsec (hanya lebih 90 tahun cahaya). Jejari orbit intragalaksi suria ialah 8.5 kiloparsec (supaya bintang kita disesarkan ke pinggir luar cakera galaksi), masa revolusi lengkap di sekitar pusat Galaksi adalah kira-kira 250 juta tahun.

Bonjolan Bima Sakti berbentuk elips dan mempunyai bar yang baru ditemui. Di tengah-tengah bonjolan itu terdapat teras padat yang dipenuhi dengan bintang-bintang pelbagai peringkat umur - dari beberapa juta tahun hingga satu bilion dan lebih tua. Di dalam teras, di sebalik awan berdebu tebal, terdapat lubang hitam yang agak sederhana mengikut piawaian galaksi - hanya 3.7 juta jisim suria.

Galaxy kami mempunyai cakera bintang berganda. Cakera dalam, yang mempunyai tidak lebih daripada 500 parsec secara menegak, menyumbang 95% daripada bintang dalam zon cakera, termasuk semua bintang muda yang cerah. Ia dikelilingi oleh cakera luar setebal 1,500 parsec, tempat tinggal bintang yang lebih tua. Cakera gas (lebih tepat, habuk gas) Bima Sakti sekurang-kurangnya 3.5 kiloparsecs tebal. Empat lengan lingkaran cakera adalah kawasan yang mempunyai ketumpatan yang meningkat bagi medium habuk gas dan mengandungi kebanyakan bintang yang paling besar.

Diameter halo Bima Sakti sekurang-kurangnya dua kali diameter cakera. Kira-kira 150 gugusan globular telah ditemui di sana, dan, kemungkinan besar, kira-kira lima puluh lagi masih belum ditemui. Kelompok tertua berusia lebih 13 bilion tahun. Halo dipenuhi dengan jirim gelap dengan struktur berketul-ketul.

Sehingga baru-baru ini, ia dipercayai bahawa halo hampir sfera, bagaimanapun, menurut data terkini, ia boleh diratakan dengan ketara. Jumlah jisim Galaxy boleh mencapai sehingga 3 trilion jisim suria, dengan jirim gelap menyumbang 90-95%. Jisim bintang di Bima Sakti dianggarkan 90-100 bilion kali jisim Matahari.

Galaksi elips, seperti namanya, adalah ellipsoidal. Ia tidak berputar secara keseluruhan dan oleh itu tidak mempunyai simetri paksi. Bintang-bintangnya, yang kebanyakannya mempunyai jisim yang agak rendah dan umur yang agak besar, berputar mengelilingi pusat galaksi dalam satah yang berbeza dan kadangkala bukan secara individu, tetapi dalam rantai yang sangat memanjang.

Pencahayaan baharu dalam galaksi elips jarang menyala kerana kekurangan bahan mentah - hidrogen molekul.

Seperti manusia, galaksi dikumpulkan bersama. Kumpulan Tempatan kami merangkumi dua galaksi terbesar di sekitar kira-kira 3 megaparsec - Bima Sakti dan Andromeda (M31), galaksi Triangulum, serta satelitnya - Awan Magellan Besar dan Kecil, galaksi kerdil di Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix, dan ramai lagi - jumlahnya kira-kira lima puluh. Kumpulan tempatan pula merupakan ahli kumpulan besar Virgo tempatan.

Kedua-dua galaksi terbesar dan terkecil adalah daripada jenis elips. Jumlah bahagian wakilnya dalam populasi galaksi Alam Semesta hanya kira-kira 20%. Galaksi ini (dengan kemungkinan pengecualian yang paling kecil dan paling samar) juga menyembunyikan lubang hitam supermasif di zon tengahnya. Galaksi elips juga mempunyai lingkaran cahaya, tetapi tidak sejelas galaksi berbentuk cakera.

Semua galaksi lain dianggap tidak teratur. Mereka mengandungi banyak habuk dan gas dan secara aktif menghasilkan bintang muda. Terdapat beberapa galaksi sedemikian pada jarak sederhana dari Bima Sakti, hanya 3%.

Walau bagaimanapun, antara objek dengan anjakan merah yang besar, yang cahayanya dipancarkan selewat-lewatnya 3 bilion tahun selepas Big Bang, bahagiannya meningkat dengan mendadak. Rupa-rupanya, semua sistem bintang generasi pertama adalah kecil dan mempunyai garis besar yang tidak teratur, dan galaksi besar berbentuk cakera dan elips timbul tidak lama kemudian.

Kelahiran galaksi

Galaksi dilahirkan tidak lama selepas bintang. Adalah dipercayai bahawa peneraju pertama berkelip tidak lewat daripada 150 juta tahun selepas Big Bang. Pada Januari 2011, sepasukan ahli astronomi memproses maklumat daripada Teleskop Angkasa Hubble melaporkan kemungkinan pemerhatian galaksi yang cahayanya pergi ke angkasa lepas 480 juta tahun selepas Letupan Besar.

Pada bulan April, pasukan penyelidik lain menemui galaksi yang, kemungkinan besar, telah terbentuk sepenuhnya apabila alam semesta muda berusia kira-kira 200 juta tahun.

Keadaan untuk kelahiran bintang dan galaksi timbul lama sebelum ia bermula. Apabila alam semesta melepasi tanda 400,000 tahun, plasma di angkasa lepas digantikan oleh campuran helium neutral dan hidrogen. Gas ini masih terlalu panas untuk bergabung menjadi awan molekul yang menimbulkan bintang.

Walau bagaimanapun, ia bersebelahan dengan zarah jirim gelap, pada mulanya diedarkan di angkasa tidak sekata - di mana ia sedikit lebih padat, di mana ia lebih jarang. Mereka tidak berinteraksi dengan gas baryonic dan oleh itu, di bawah tindakan tarikan bersama, secara bebas runtuh ke dalam zon peningkatan ketumpatan.

Mengikut pengiraan model, dalam tempoh seratus juta tahun selepas Big Bang, awan jirim gelap sebesar sistem suria semasa terbentuk di angkasa. Mereka bergabung menjadi struktur yang lebih besar, walaupun ruang angkasa berkembang. Ini adalah bagaimana gugusan awan jirim gelap timbul, dan kemudian gugusan gugusan ini. Mereka menyedut gas angkasa, membolehkan ia menebal dan runtuh.

Dengan cara ini, bintang supermasif pertama muncul, yang dengan cepat meletup menjadi supernova dan meninggalkan lubang hitam. Letupan ini memperkayakan ruang dengan unsur yang lebih berat daripada helium, yang membantu menyejukkan awan gas yang runtuh dan oleh itu memungkinkan penampilan bintang generasi kedua yang kurang besar.

Bintang sebegitu mungkin sudah wujud selama berbilion tahun dan oleh itu dapat membentuk (sekali lagi dengan bantuan jirim gelap) sistem terikat graviti. Ini adalah bagaimana galaksi berumur panjang muncul, termasuk kita.

"Banyak butiran galaktogenesis masih tersembunyi dalam kabus, " kata John Kormendy. - Khususnya, ini terpakai kepada peranan lubang hitam. Jisim mereka berkisar daripada puluhan ribu jisim suria kepada rekod mutlak semasa sebanyak 6.6 bilion jisim suria, kepunyaan lubang hitam dari teras galaksi elips M87, yang terletak 53.5 juta tahun cahaya dari Matahari.

Lubang-lubang di tengah-tengah galaksi elips biasanya dikelilingi oleh bonjolan yang terdiri daripada bintang lama. Galaksi lingkaran mungkin tidak mempunyai bonjolan sama sekali atau mempunyai persamaan rata, pseudo-bonjolan. Jisim lubang hitam biasanya tiga susunan magnitud kurang daripada jisim bonjolan - secara semula jadi, jika ia ada. Corak ini disahkan oleh pemerhatian yang meliputi lubang dengan jisim dari satu juta hingga satu bilion jisim suria."

Menurut Profesor Kormendy, lubang hitam galaksi mendapat jisim dalam dua cara. Lubang itu, dikelilingi oleh bonjolan penuh, tumbuh disebabkan oleh penyerapan gas yang datang ke bonjolan dari zon luar galaksi. Semasa penggabungan galaksi, keamatan kemasukan gas ini meningkat dengan mendadak, yang memulakan ledakan quasar.

Akibatnya, bonjolan dan lubang berkembang secara selari, yang menerangkan korelasi antara jisim mereka (namun, mekanisme lain, yang belum diketahui mungkin berfungsi juga).

Penyelidik dari Universiti Pittsburgh, UC Irvine dan Universiti Atlantik Florida telah memodelkan perlanggaran Bima Sakti dan pendahulu Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy (SagDEG) di Sagittarius.

Mereka menganalisis dua pilihan untuk perlanggaran - dengan mudah (3x10¹⁰jisim suria) dan berat (10¹¹ jisim suria) SagDEG. Angka itu menunjukkan keputusan 2.7 bilion tahun evolusi Bima Sakti tanpa interaksi dengan galaksi kerdil dan dengan interaksi dengan varian ringan dan berat SagDEG.

Galaksi bebas botak dan galaksi dengan pseudo-bulges adalah perkara yang berbeza. Jisim lubang mereka biasanya tidak melebihi 104-106 jisim suria. Menurut Profesor Kormendy, mereka diberi makan dengan gas kerana proses rawak yang berlaku berhampiran lubang, dan tidak merentas seluruh galaksi. Lubang sedemikian tumbuh tanpa mengira evolusi galaksi atau pseudo-bulgenya, yang menjelaskan kekurangan korelasi antara jisim mereka.

Galaksi yang semakin berkembang

Galaksi boleh meningkat dari segi saiz dan jisim. "Pada masa lalu, galaksi melakukan ini dengan lebih cekap berbanding era kosmologi baru-baru ini," jelas Garth Illingworth, profesor astronomi dan astrofizik di Universiti California, Santa Cruz. - Kadar kelahiran bintang baharu dianggarkan dari segi pengeluaran tahunan unit jisim jirim bintang (dalam kapasiti ini, jisim Matahari) per unit isipadu angkasa lepas (biasanya megaparsec padu).

Pada masa pembentukan galaksi pertama, angka ini sangat kecil, dan kemudian mula berkembang pesat, yang berterusan sehingga Alam Semesta berusia 2 bilion tahun. Selama 3 bilion tahun lagi, ia agak malar, kemudian mula merosot hampir mengikut kadar masa, dan penurunan ini berterusan hingga ke hari ini. Jadi 7-8 bilion tahun yang lalu, kadar purata pembentukan bintang adalah 10-20 kali lebih tinggi daripada yang sekarang. Kebanyakan galaksi yang boleh diperhatikan telah terbentuk sepenuhnya dalam zaman yang jauh itu."

Angka tersebut menunjukkan hasil evolusi pada masa yang berbeza - konfigurasi awal (a), selepas 0, 9 (b), 1, 8 © dan 2, 65 bilion tahun (d). Mengikut pengiraan model, palang dan lengan lingkaran Bima Sakti mungkin terbentuk akibat perlanggaran dengan SagDEG, yang pada mulanya menarik 50-100 bilion jisim suria.

Dua kali ia melalui cakera Galaxy kita dan kehilangan sebahagian daripada jirimnya (baik biasa dan gelap), menyebabkan gangguan pada strukturnya. Jisim semasa SagDEG tidak melebihi berpuluh juta jisim suria, dan perlanggaran seterusnya, yang dijangka tidak lewat daripada 100 juta tahun kemudian, kemungkinan besar akan menjadi yang terakhir untuknya.

Secara umum, trend ini boleh difahami. Galaksi berkembang dalam dua cara utama. Mula-mula, mereka memperoleh bahan pecah bintang segar dengan menarik masuk zarah gas dan habuk dari ruang sekeliling. Selama beberapa bilion tahun selepas Letupan Besar, mekanisme ini berfungsi dengan baik semata-mata kerana terdapat bahan mentah yang cukup cemerlang di angkasa untuk semua orang.

Kemudian, apabila rizab telah habis, kadar kelahiran bintang menurun. Walau bagaimanapun, galaksi telah menemui keupayaan untuk meningkatkannya melalui perlanggaran dan penggabungan. Benar, untuk pilihan ini direalisasikan, galaksi yang berlanggar mesti mempunyai bekalan hidrogen antara bintang yang baik. Untuk galaksi elips yang besar, di mana ia hampir hilang, penggabungan tidak membantu, tetapi dalam galaksi diskoid dan tidak teratur ia berfungsi.

Kursus perlanggaran

Mari lihat apa yang berlaku apabila dua galaksi jenis cakera yang hampir sama bergabung. Bintang mereka hampir tidak pernah bertembung - jarak antara mereka terlalu jauh. Walau bagaimanapun, cakera gas setiap galaksi mengalami daya pasang surut disebabkan oleh graviti jirannya. Bahan baryonic cakera kehilangan sebahagian daripada momentum sudut dan beralih ke pusat galaksi, di mana keadaan untuk pertumbuhan letupan dalam kadar pembentukan bintang timbul.

Sebahagian daripada bahan ini diserap oleh lubang hitam, yang juga mendapat jisim. Dalam fasa terakhir penyatuan galaksi, lubang hitam bergabung, dan cakera bintang kedua-dua galaksi kehilangan struktur bekasnya dan tersebar di angkasa. Akibatnya, satu elips terbentuk daripada sepasang galaksi lingkaran. Tetapi ini bukanlah gambaran yang lengkap. Sinaran daripada bintang muda yang cerah boleh meniup sebahagian daripada hidrogen daripada galaksi yang baru lahir.

Pada masa yang sama, pertambahan aktif gas ke lubang hitam memaksa yang terakhir dari semasa ke semasa untuk menembak jet zarah tenaga yang sangat besar ke angkasa, memanaskan gas di seluruh galaksi dan dengan itu menghalang pembentukan bintang baru. Galaksi secara beransur-ansur senyap - kemungkinan besar selama-lamanya.

Galaksi dengan saiz yang berbeza berlanggar secara berbeza. Galaksi besar mampu menelan galaksi kerdil (sekaligus atau dalam beberapa langkah) dan pada masa yang sama mengekalkan strukturnya sendiri. kanibalisme galaksi ini juga boleh merangsang pembentukan bintang.

Galaksi kerdil musnah sepenuhnya, meninggalkan rantai bintang dan jet gas kosmik, yang diperhatikan di Galaxy kita dan di Andromeda yang berdekatan. Jika salah satu daripada galaksi yang berlanggar tidak terlalu unggul daripada yang lain, kesan yang lebih menarik mungkin berlaku.

Menunggu teleskop super

Astronomi galaksi bertahan hampir satu abad. Dia bermula secara praktikal dari awal dan mencapai banyak perkara. Walau bagaimanapun, bilangan masalah yang tidak dapat diselesaikan adalah sangat besar. Para saintis mengharapkan banyak daripada Teleskop Orbit Inframerah James Webb, yang dijadualkan dilancarkan pada 2021.