Vznik a vývoj galaxie

Vznik a vývoj galaxie

Studium formování a evoluce galaxií se zabývá procesy, které vytvořily heterogenní vesmír od homogenního počátku, tvorbou prvních galaxií, způsobem, jakým se galaxie mění v průběhu času, a procesy, které vytvořily různé struktury pozorované v blízkých galaxiích. . Předpokládá se, že ke vzniku galaxie dochází na základě teorií tvorby struktury v důsledku drobných kvantových fluktuací v důsledku velkého třesku . Nejjednodušším modelem v obecné shodě s pozorovanými jevy je model Lambda-CDM - to znamená, že shlukování a slučování umožňuje galaxiím akumulovat hmotu, což určuje jak jejich tvar, tak strukturu.

Běžně pozorované vlastnosti galaxií

Diagram morfologie galaxie z Hubbleovy ladičky

Vzhledem k nemožnosti provádět experimenty ve vesmíru je jediným způsobem, jak "otestovat" teorie a modely vývoje galaxií, porovnat je s pozorováními. Vysvětlení toho, jak se galaxie formovaly a vyvíjely, musí být schopno předpovědět pozorované vlastnosti a typy galaxií.

Edwin Hubble vytvořil první schéma klasifikace galaxií známé jako diagram Hubbleovy ladičky. Rozdělil galaxie na eliptické , normální spirály , spirály s příčkou (jako je Mléčná dráha ) a nepravidelné . Tyto typy galaxií vykazují následující vlastnosti, které lze vysvětlit současnými teoriemi vývoje galaxií:

• Mnoho vlastností galaxií (včetně diagramu barvy a velikosti galaxie ) naznačuje, že v zásadě existují dva typy galaxií. Tyto skupiny se dělí na modré hvězdotvorné galaxie, které jsou spíše spirálním typům, a červené nehvězdné galaxie, které jsou spíše eliptickými galaxiemi.
• Spirální galaxie jsou poměrně tenké, husté a rotují relativně rychle, zatímco hvězdy v eliptických galaxiích mají náhodně orientované oběžné dráhy.
• Většina obřích galaxií obsahuje ve svých centrech supermasivní černou díru , jejíž hmotnost se pohybuje od milionů do miliardkrát větší než hmotnost našeho Slunce . Hmota černé díry je vázána na vybouleninu nebo sféroidní hmotu hostitelské galaxie.
• Metalicita má pozitivní korelaci s absolutní velikostí (svítivostí) galaxie.

Existuje běžná mylná představa, že Hubble se nesprávně domníval, že diagram ladičky popisuje evoluční sekvenci galaxií, od eliptických galaxií přes lentikulární až po spirální galaxie. Toto není ten případ; místo toho diagram ladičky ukazuje vývoj od jednoduchého ke složitému bez zamýšlených časových konotací. Astronomové se nyní domnívají, že nejdříve se pravděpodobně vytvořily diskové galaxie a poté se vyvinuly v eliptické galaxie prostřednictvím sloučení galaxií.

Současné modely také předpovídají, že většinu hmoty v galaxiích tvoří temná hmota , látka, která není přímo pozorovatelná a nemusí interagovat žádnými prostředky kromě gravitace. Toto pozorování vzniká proto, že galaxie se nemohly zformovat tak, jak se mají, nebo se nemohly otáčet, jak je vidět, pokud neobsahují mnohem více hmoty, než je možné přímo pozorovat.

Vznik diskových galaxií

Nejranější fází vývoje galaxií je formace. Když se vytvoří galaxie, má tvar disku a je nazývána spirální galaxií kvůli spirálovitým strukturám "ramena" umístěným na disku. Existují různé teorie o tom, jak se tato diskovitá rozložení hvězd vyvíjejí z oblaku hmoty: v současnosti však žádná z nich přesně nepředpovídá výsledky pozorování.

Teorie shora dolů

Olin Eggen , Donald Lynden-Bell a Allan Sandage v roce 1962 navrhli teorii, že diskové galaxie vznikají monolitickým kolapsem velkého oblaku plynu. Rozložení hmoty v raném vesmíru bylo ve shlucích, které se skládaly převážně z temné hmoty. Tyto shluky gravitačně interagovaly a vzájemně na sebe uváděly slapové momenty, které jim dodávaly určitý moment hybnosti. Jako baryonická záležitostvychladl, rozptýlil část energie a stáhl se směrem ke středu. Při zachování momentu hybnosti hmota v blízkosti středu urychluje svou rotaci. Potom se hmota jako rotující koule těsta na pizzu zformuje do pevného disku. Jakmile se disk ochladí, plyn není gravitačně stabilní, takže nemůže zůstat singulárním homogenním mrakem. Rozbije se a tato menší oblaka plynu tvoří hvězdy. Protože se temná hmota nerozptýlí, protože interaguje pouze gravitačně, zůstává distribuována mimo disk v tom, co je známé jako temné halo . Pozorování ukazují, že vně disku se nacházejí hvězdy, což zcela neodpovídá modelu "pizza těsto". Poprvé to navrhli Leonard Searle a Robert Zinn že galaxie vznikají koalescencí menších progenitorů. Tato teorie, známá jako scénář formace shora dolů, je poměrně jednoduchá, ale již není široce přijímána.

Teorie zdola nahoru

Novější teorie zahrnují shlukování halos temné hmoty v procesu zdola nahoru. Místo toho, aby se velká plynová oblaka zhroutila do galaxie, ve které se plyn rozpadl na menší oblaka, navrhuje se, aby hmota začala v těchto "menších" shlucích (hmotnost řádu kulových hvězdokup ) a poté se mnohé z těchto shluků spojily. k vytvoření galaxií, které pak byly gravitací kresleny do kup galaxií . To stále vede k diskovitým distribucím baryonové hmoty s temnou hmotou tvořící halo ze všech stejných důvodů jako v teorii shora dolů. Modely využívající tento druh procesu předpovídají více malých galaxií než velkých, což odpovídá pozorování.

Astronomové v současnosti nevědí, jaký proces kontrakci zastaví. Ve skutečnosti teorie vzniku diskových galaxií nejsou úspěšné při vytváření rychlosti rotace a velikosti diskových galaxií. Bylo navrženo, že záření z jasných nově vzniklých hvězd nebo z aktivního galaktického jádra může zpomalit kontrakci formujícího se disku. Bylo také navrženo, že halo temné hmoty může přitáhnout galaxii, a tak zastavit kontrakci disku.

Lambda-CDM model je kosmologický model, který vysvětluje vznik vesmíru po Velkém třesku . Jde o relativně jednoduchý model, který předpovídá mnoho vlastností pozorovaných ve vesmíru, včetně relativní frekvence různých typů galaxií; nicméně podceňuje počet tenkých diskových galaxií ve vesmíru.Důvodem je, že tyto modely formování galaxií předpovídají velký počet sloučení. Pokud se diskové galaxie spojí s jinou galaxií srovnatelné hmotnosti (alespoň 15 procent její hmotnosti), spojení pravděpodobně zničí nebo minimálně značně rozruší disk a neočekává se, že by výsledná galaxie byla diskovou galaxií (viz další část ). I když to zůstává pro astronomy nevyřešeným problémem, nemusí to nutně znamenat, že model Lambda-CDM je zcela nesprávný, ale spíše to, že vyžaduje další upřesnění, aby bylo možné přesně reprodukovat populaci galaxií ve vesmíru.

Sloučení galaxií a vznik eliptických galaxií

Umělcův obraz ohnivé bouře zrození hvězd hluboko v jádru mladé rostoucí eliptické galaxie. NGC 4676 ( Mice Galaxies ) je příkladem současné fúze. Tyto Tykadla Galaxie je dvojice kolize galaxií - Jasný, modré uzly jsou mladé hvězdy, které nedávno zapáleny v důsledku fúze. ESO 325-G004 , typická eliptická galaxie.Hlavní článek: Sloučení galaxií

Eliptické galaxie (jako je IC 1101 ) patří mezi jedny z největších dosud známých. Jejich hvězdy jsou na drahách, které jsou náhodně orientovány v galaxii (tj. nerotují jako diskové galaxie). Charakteristickým rysem eliptických galaxií je, že rychlost hvězd nemusí nutně přispívat ke zploštění galaxie, jako je tomu u spirálních galaxií. Eliptické galaxie mají centrální supermasivní černé díry a hmotnosti těchto černých děr korelují s hmotností galaxie.

Eliptické galaxie mají dvě hlavní fáze vývoje. První je způsobena supermasivní černou dírou rostoucí akrecí chladícího plynu. Druhý stupeň je poznamenán stabilizací černé díry potlačením ochlazování plynu, takže eliptickou galaxii zanechává ve stabilním stavu. Hmotnost černé díry také koreluje s vlastností zvanou sigma, což je rozptyl rychlostí hvězd na jejich drahách. Tento vztah, známý jako vztah M-sigma , byl objeven v roce 2000.Eliptické galaxie většinou postrádají disky, ačkoli některé vybouleniny diskových galaxií připomínají eliptické galaxie. Eliptické galaxie se s větší pravděpodobností nacházejí v přeplněných oblastech vesmíru (jako napřkupy galaxií ).

Astronomové nyní vidí eliptické galaxie jako některé z nejvíce vyvinutých systémů ve vesmíru. Všeobecně se uznává, že hlavní hnací silou pro vývoj eliptických galaxií jsou slučování menších galaxií. Mnoho galaxií ve vesmíru je gravitačně vázáno na jiné galaxie, což znamená, že nikdy neuniknou jejich vzájemnému působení. Pokud jsou galaxie podobné velikosti, výsledná galaxie nebude vypadat podobně jako žádný z předků,, ale bude místo toho eliptická. Existuje mnoho typů slučování galaxií, které nemusí nutně vyústit v eliptické galaxie, ale mají za následek strukturální změnu. Například se předpokládá, že mezi Mléčnou dráhou a Magellanovými mraky dochází k menšímu sloučení.

Fúze mezi tak velkými galaxiemi jsou považovány za násilné a třecí interakce plynu mezi těmito dvěma galaxiemi může způsobit gravitační rázové vlny , které jsou schopny vytvořit nové hvězdy v nové eliptické galaxii. Sekvenčním řazením několika snímků různých galaktických kolizí lze pozorovat časovou osu dvou spirálních galaxií splývajících do jediné eliptické galaxie.

V Místní skupině jsou Mléčná dráha a Galaxie v Andromedě gravitačně spojeny a v současnosti se k sobě přibližují vysokou rychlostí. Simulace ukazují, že Mléčná dráha a Andromeda jsou na srážkovém kurzu a očekává se, že se srazí za méně než pět miliard let. Během této srážky se očekává, že Slunce a zbytek Sluneční soustavy budou vyvrženy ze své současné dráhy kolem Mléčné dráhy. Zbytkem by mohla být obří eliptická galaxie.

Hašení galaxie

Vznik hvězd v nyní "mrtvých" galaxiích vytryskl před miliardami let.Hlavní článek: Quenching (astronomie)

Jedno pozorování (viz výše), které musí být vysvětleno úspěšnou teorií evoluce galaxií, je existence dvou různých populací galaxií na diagramu barevnosti a velikosti galaxie. Většina galaxií má tendenci spadat do dvou samostatných míst na tomto diagramu: "červená sekvence" a "modrý oblak". Galaxie s červenou sekvencí jsou obecně eliptické galaxie netvorící hvězdy s malým množstvím plynu a prachu, zatímco galaxie s modrým oblakem mají tendenci být prašnými spirálními galaxiemi tvořícími hvězdy.

Jak bylo popsáno v předchozích částech, galaxie mají tendenci se vyvíjet ze spirální do eliptické struktury prostřednictvím sloučení. Současná rychlost slučování galaxií však nevysvětluje, jak se všechny galaxie přesunou z "modrého oblaku" do "červené sekvence". Také to nevysvětluje, jak v galaxiích ustává tvorba hvězd. Teorie vývoje galaxií proto musí být schopny vysvětlit, jak se v galaxiích vypíná tvorba hvězd. Tento jev se nazývá "zhášení" galaxií.

Hvězdy se tvoří ze studeného plynu (viz také Kennicutt-Schmidtův zákon ), takže galaxie je zhášena , když už nemá žádný studený plyn. Předpokládá se však, že k uhašení dochází relativně rychle (do 1 miliardy let), což je mnohem kratší doba, než by galaxie potřebovala k tomu, aby jednoduše spotřebovala svůj rezervoár studeného plynu. Modely evoluce galaxií to vysvětlují hypotézami o dalších fyzikálních mechanismech, které odstraňují nebo uzavírají přívod chladného plynu v galaxii. Tyto mechanismy lze obecně rozdělit do dvou kategorií: (1) preventivní mechanismy zpětné vazby, které zabraňují vstupu chladného plynu do galaxie nebo mu zabraňují produkovat hvězdy, a (2) mechanismy ejektivní zpětné vazby, které odstraňují plyn, takže nemůže vytvářet hvězdy.

Jeden teoretický preventivní mechanismus zvaný "uškrcení" zabraňuje vstupu chladného plynu do galaxie. Škrcení je pravděpodobně hlavním mechanismem pro uhašení tvorby hvězd v blízkých galaxiích s nízkou hmotností. Přesné fyzikální vysvětlení uškrcení je stále neznámé, ale může to souviset s interakcemi galaxie s jinými galaxiemi. Když galaxie spadne do kupy galaxií, gravitační interakce s jinými galaxiemi ji mohou uškrtit tím, že jí zabrání v nahromadění dalšího plynu. U galaxií s masivními haly temné hmoty může další preventivní mechanismus nazývaný "virální šokové zahřívání" také zabránit tomu, aby se plyn dostatečně ochladil, aby se vytvořily hvězdy.

Ejektivní procesy, které vypuzují studený plyn z galaxií, mohou vysvětlit, jak jsou hmotnější galaxie uhašeny. Jeden ejektivní mechanismus způsobují supermasivní černé díry nalezené v centrech galaxií. Simulace ukázaly, že plyn narůstající na supermasivní černé díry v galaktických centrech produkuje vysokoenergetické výtrysky ; uvolněná energie může vypudit dostatek chladného plynu k uhašení tvorby hvězd.

Zdá se, že naše vlastní Mléčná dráha a blízká galaxie v Andromedě v současnosti procházejí uhasínajícím přechodem od hvězdotvorných modrých galaxií k pasivním červeným galaxiím.