Формирование и эволюция галактик - Galaxy formation and evolution

Часть серии по
Физическая космология
Изображение полного неба, полученное по данным космического корабля Planck
Ранняя вселенная
Фоны
Расширение  · Будущее
Компоненты  · Структура
Компоненты
Состав
Эксперименты
Ученые
История темы

Изучение формирования и эволюции галактик связано с процессами, которые сформировали неоднородную Вселенную с однородного начала, образованием первых галактик, тем, как галактики меняются с течением времени, и процессами, которые породили множество структур, наблюдаемых в близлежащих галактиках. . Согласно теории образования структуры, образование галактик происходит в результате крошечных квантовых флуктуаций, возникших после Большого взрыва . Простейшей моделью, в общем согласующейся с наблюдаемыми явлениями, является модель лямбда-CDM, т. Е. Кластеризация и слияние позволяют галактикам накапливать массу, определяя как их форму, так и структуру.

Обычно наблюдаемые свойства галактик

Диаграмма морфологии галактик с камертоном Хаббла

Из-за невозможности проводить эксперименты в открытом космосе единственный способ «проверить» теории и модели эволюции галактик - это сравнить их с наблюдениями. Объяснения того, как формировались и развивались галактики, должны позволять предсказывать наблюдаемые свойства и типы галактик.

Эдвин Хаббл создал первую схему классификации галактик, известную как диаграмма камертона Хаббла. Он разделил галактики на эллиптические , нормальные спирали , спирали с перемычкой (например, Млечный Путь ) и неправильные формы . Эти типы галактик обладают следующими свойствами, которые можно объяснить текущими теориями эволюции галактик:

  • Многие свойства галактик (в том числе диаграмма цвет – величина галактики ) указывают на то, что существует два основных типа галактик. Эти группы делятся на голубые галактики, образующие звезды, которые больше похожи на спиральные, и красные галактики, не образующие звезд, которые больше похожи на эллиптические галактики.
  • Спиральные галактики довольно тонкие, плотные и относительно быстро вращаются, в то время как звезды в эллиптических галактиках имеют случайно ориентированные орбиты.
  • Большинство гигантских галактик содержат в своих центрах сверхмассивные черные дыры , масса которых варьируется от миллионов до миллиардов масс нашего Солнца . Масса черной дыры связана с выпуклостью родительской галактики или массой сфероида.
  • Металличность имеет положительную корреляцию с абсолютной величиной (светимостью) галактики.

Существует распространенное заблуждение, что Хаббл ошибочно полагал, что камертонная диаграмма описывает эволюционную последовательность галактик, от эллиптических галактик через линзообразные до спиральных галактик. Это не тот случай; вместо этого диаграмма камертона показывает эволюцию от простого к сложному без каких-либо временных коннотаций. Теперь астрономы считают, что сначала сформировались дисковые галактики, а затем они превратились в эллиптические галактики в результате слияния галактик.

Современные модели также предсказывают, что большая часть массы в галактиках состоит из темной материи , вещества, которое нельзя непосредственно наблюдать и которое может не взаимодействовать никакими средствами, кроме гравитации. Это наблюдение возникает из-за того, что галактики не могли сформироваться так, как они есть, или вращаться так, как они видны, если только они не содержат гораздо большую массу, чем можно наблюдать напрямую.

Формирование дисковых галактик

Самый ранний этап эволюции галактик - образование. Когда образуется галактика, она имеет форму диска и называется спиральной галактикой из-за спиралевидной структуры, расположенной на диске. Существуют разные теории о том, как эти дискообразные распределения звезд развиваются из облака материи: однако в настоящее время ни одна из них точно не предсказывает результаты наблюдений.

Теории сверху вниз

Олин Эгген , Дональд Линден-Белл и Аллан Сэндидж в 1962 году предложили теорию, согласно которой дисковые галактики образуются в результате монолитного коллапса большого газового облака. Материя в ранней Вселенной распределялась по сгусткам, состоящим в основном из темной материи. Эти сгустки взаимодействовали гравитационно, передавая друг другу приливные моменты, которые давали им некоторый угловой момент. По мере охлаждения барионная материя рассеивала часть энергии и сжималась к центру. При сохранении углового момента вещество вблизи центра ускоряет свое вращение. Затем, как крутящийся шар из теста для пиццы, материя превращается в плотный диск. Когда диск охлаждается, газ теряет гравитационную устойчивость, поэтому он не может оставаться сингулярным однородным облаком. Он разрывается, и эти более мелкие газовые облака образуют звезды. Поскольку темная материя не рассеивается, поскольку взаимодействует только гравитационно, она остается распределенной за пределами диска в так называемом темном гало . Наблюдения показывают, что за пределами диска находятся звезды, что не совсем подходит для модели «тесто для пиццы». Впервые было предложено Леонардом Сирлом и Робертом Зинном, что галактики образуются путем слияния более мелких предков. Эта теория, известная как сценарий формирования сверху вниз, довольно проста, но уже не получила широкого распространения.

Теории снизу вверх

Более поздние теории включают кластеризацию гало темной материи в восходящем процессе. Вместо коллапса больших газовых облаков с образованием галактики, в которой газ распадается на более мелкие облака, предполагается, что материя начиналась с этих «меньших» сгустков (масса порядка шаровых скоплений ), а затем многие из этих сгустков сливались. чтобы сформировать галактики, которые затем были притянуты гравитацией, чтобы сформировать скопления галактик . Это по-прежнему приводит к дискообразному распределению барионной материи с темной материей, образующей гало, по тем же причинам, что и в теории сверху вниз. Модели, использующие такой процесс, предсказывают больше маленьких галактик, чем больших, что соответствует наблюдениям.

В настоящее время астрономы не знают, какой процесс останавливает сокращение. Фактически, теории образования дисковых галактик не могут дать определение скорости вращения и размера дисковых галактик. Было высказано предположение, что излучение ярких новообразованных звезд или активного ядра галактики может замедлить сжатие формирующегося диска. Также было высказано предположение, что гало темной материи может притягивать галактику, останавливая сжатие диска.

Модель Lambda-CDM - это космологическая модель, объясняющая формирование Вселенной после Большого взрыва . Это относительно простая модель, которая предсказывает многие свойства, наблюдаемые во Вселенной, включая относительную частоту различных типов галактик; однако он недооценивает количество тонких дисковых галактик во Вселенной. Причина в том, что эти модели образования галактик предсказывают большое количество слияний. Если дисковые галактики сливаются с другой галактикой сопоставимой массы (по крайней мере, 15 процентов от ее массы), слияние, вероятно, разрушит или, как минимум, сильно разрушит диск, и полученная галактика не будет дисковой галактикой (см. Следующий раздел ). Хотя это остается нерешенной проблемой для астрономов, это не обязательно означает, что модель лямбда-CDM полностью неверна, а скорее, что она требует дальнейшего уточнения для точного воспроизведения населения галактик во Вселенной.

Слияние галактик и образование эллиптических галактик

Художник изображает огненную бурю рождения звезд в глубине ядра молодой, растущей эллиптической галактики.
NGC 4676 ( Mice Galaxies ) - пример нынешнего слияния.
В Усиках Galaxies представляет собой пару сталкивающихся галактик - яркий, синие сучки молодых звезд, которые недавно воспламеняться в результате слияния.
ESO 325-G004 , типичная эллиптическая галактика.
Основная статья: Слияние галактик

Эллиптические галактики (такие как IC 1101 ) являются одними из самых крупных из известных на сегодняшний день. Их звезды находятся на орбитах, которые случайным образом ориентированы внутри галактики (т.е. они не вращаются, как дисковые галактики). Отличительной чертой эллиптических галактик является то, что скорость звезд не обязательно способствует сглаживанию галактики, как в спиральных галактиках. Эллиптические галактики имеют в центре сверхмассивные черные дыры , и массы этих черных дыр коррелируют с массой галактики.

Эллиптические галактики проходят две основные стадии эволюции. Первый связан с ростом сверхмассивной черной дыры за счет аккреции охлаждающего газа. Вторая стадия отмечена стабилизацией черной дыры путем подавления охлаждения газа, в результате чего эллиптическая галактика остается в стабильном состоянии. Масса черной дыры также связана со свойством, называемым сигма, которое представляет собой дисперсию скоростей звезд на их орбитах. Эта взаимосвязь, известная как отношение M-сигма , была обнаружена в 2000 году. У эллиптических галактик в основном отсутствуют диски, хотя некоторые выпуклости дисковых галактик напоминают эллиптические галактики. Эллиптические галактики чаще встречаются в густонаселенных регионах Вселенной (например, в скоплениях галактик ).

Теперь астрономы считают эллиптические галактики одними из наиболее развитых систем во Вселенной. Принято считать, что основной движущей силой эволюции эллиптических галактик является слияние более мелких галактик. Многие галактики во Вселенной гравитационно связаны с другими галактиками, а это означает, что им никогда не избежать взаимного притяжения. Если галактики одинакового размера, результирующая галактика не будет похожа ни на одну из предшественниц, а будет иметь эллиптическую форму. Есть много типов слияния галактик, которые не обязательно приводят к образованию эллиптических галактик, но приводят к структурным изменениям. Например, считается, что происходит небольшое слияние Млечного Пути и Магеллановых облаков.

Слияния между такими большими галактиками считаются насильственными, а фрикционное взаимодействие газа между двумя галактиками может вызвать гравитационные ударные волны , которые способны образовывать новые звезды в новой эллиптической галактике. Последовательность нескольких изображений различных столкновений галактик позволяет наблюдать временную шкалу двух спиральных галактик, сливающихся в одну эллиптическую галактику.

В Местной группе Млечный Путь и Галактика Андромеды гравитационно связаны и в настоящее время приближаются друг к другу с большой скоростью. Моделирование показывает, что Млечный Путь и Андромеда движутся по курсу столкновения и, как ожидается, столкнутся менее чем через пять миллиардов лет. Ожидается, что во время этого столкновения Солнце и остальная часть Солнечной системы будут выброшены с его текущего пути вокруг Млечного Пути. Остаток мог быть гигантской эллиптической галактикой.

Тушение галактики

Звездообразование в нынешних «мертвых» галактиках рассыпалось миллиарды лет назад.
Основная статья: Закалка (астрономия)

Одно наблюдение (см. Выше), которое должно быть объяснено успешной теорией эволюции галактик, - это существование двух разных популяций галактик на диаграмме цвет-величина галактики. Большинство галактик имеют тенденцию попадать в два разных места на этой диаграмме: «красную последовательность» и «синее облако». Галактики красной последовательности, как правило, не являются звездообразующими эллиптическими галактиками с небольшим количеством газа и пыли, в то время как галактики с синими облаками обычно представляют собой пыльные спиральные галактики, образующие звезды.

Как описано в предыдущих разделах, галактики имеют тенденцию эволюционировать от спиральной к эллиптической структуре посредством слияний. Однако текущая скорость слияния галактик не объясняет, как все галактики перемещаются из «синего облака» в «красную последовательность». Это также не объясняет, как прекращается звездообразование в галактиках. Следовательно, теории эволюции галактик должны быть в состоянии объяснить, как в галактиках прекращается звездообразование. Это явление называется «тушением» галактик.

Звезды образуются из холодного газа (см. Также закон Кенникатта – Шмидта ), поэтому галактика гаснет, когда в ней больше нет холодного газа. Однако считается, что гашение происходит относительно быстро (в течение 1 миллиарда лет), что намного меньше времени, которое потребуется галактике, чтобы просто израсходовать свой резервуар холодного газа. Модели эволюции галактик объясняют это гипотезой о других физических механизмах, которые устраняют или перекрывают подачу холодного газа в галактику. Эти механизмы можно в общих чертах разделить на две категории: (1) механизмы превентивной обратной связи, которые не позволяют холодному газу проникать в галактику или не дают ему образовывать звезды, и (2) механизмы выталкивающей обратной связи, удаляющие газ так, чтобы он не мог образовывать звезды.

Один теоретический превентивный механизм, называемый «удушение», не позволяет холодному газу проникать в галактику. Удушение, вероятно, является основным механизмом подавления звездообразования в близлежащих маломассивных галактиках. Точное физическое объяснение удушения до сих пор неизвестно, но, возможно, оно связано с взаимодействием галактики с другими галактиками. Когда галактика попадает в скопление галактик, гравитационное взаимодействие с другими галактиками может задушить ее, препятствуя аккреции большего количества газа. Для галактик с массивными ореолами темной материи другой превентивный механизм, называемый «вириальным ударным нагревом», также может препятствовать тому, чтобы газ стал достаточно холодным для образования звезд.

Процессы выброса, которые выталкивают холодный газ из галактик, могут объяснить, как гаснут более массивные галактики. Один из механизмов выброса вызван сверхмассивными черными дырами, обнаруженными в центрах галактик. Моделирование показало, что газ, аккрецирующий на сверхмассивных черных дырах в центрах галактик, производит струи высокой энергии ; высвободившаяся энергия может вытеснить достаточно холодного газа, чтобы погасить звездообразование.

Наш собственный Млечный Путь и близлежащая Галактика Андромеды в настоящее время, похоже, претерпевают переходный переход от звездообразующих голубых галактик к пассивным красным галактикам.

Галерея

  • NGC 3610 показывает некую структуру в виде яркого диска, подразумевая, что она образовалась совсем недавно.

  • NGC 891 , очень тонкая дисковая галактика

  • Изображение Мессье 101 , прототипной спиральной галактики, видимой лицом к лицу.

  • Спиральная галактика ESO 510-G13 искривилась в результате столкновения с другой галактикой. После полного поглощения другой галактики искажение исчезнет. Обычно этот процесс занимает миллионы, если не миллиарды лет.

Смотрите также

дальнейшее чтение

  • Мо, Ходжун; ван ден Бош, Франк; Уайт, Саймон (июнь 2010 г.), Формирование и эволюция галактик (1-е изд.), Cambridge University Press , ISBN 978-0521857932

использованная литература

внешние ссылки