Галактика - Galaxy

NGC 4414 , типичная спиральная галактика в созвездии Беренис , имеет диаметр около 55 000  световых лет и находится на расстоянии около 60 миллионов световых лет от Земли.

Галактики является гравитационно связанная система из звезд , звездных остатков , межзвездного газа , пыли и темной материи . Слово происходит от греческого слова galaxias ( γαλαξίας ), буквально «млечный», что означает Млечный Путь . Размер галактик варьируется от карликов с несколькими сотнями миллионов (10 8 ) звезд до гигантов с сотней триллионов (10 14 ) звезд, каждая из которых вращается вокруг центра масс своей галактики .

Галактики классифицируются в соответствии с их визуальной морфологии как эллиптической , спирали или нерегулярно . Считается, что в центре многих находятся сверхмассивные черные дыры . Центральная черная дыра Млечного Пути, известная как Стрелец A * , имеет массу в четыре миллиона раз больше, чем Солнце . По состоянию на март 2016 года GN-z11 является самой старой и самой далекой из наблюдаемых галактик. Он находится на сопутствующем расстоянии 32 миллиарда световых лет от Земли и, как представляется, существовал всего через 400 миллионов лет после Большого взрыва .

В 2021 году данные космического зонда НАСА New Horizons были использованы для пересмотра предыдущей оценки примерно до 200 миллиардов галактик (2 × 10 11 ), что соответствует оценке 2016 г., когда было два триллиона (2 × 10 12 ) или более галактик в наблюдаемой Вселенной , в целом, и столько, сколько оценивается1 × 10 24 звезды (звезд больше, чем всех песчинок на всех пляжах планеты Земля ). Большинство галактик имеют диаметр от 1000 до 100000 парсеков (примерно от 3000 до 300000 световых лет ) и разделены расстояниями порядка миллионов парсеков (или мегапарсеков). Для сравнения: Млечный Путь имеет диаметр не менее 30 000 парсеков (100 000 световых лет) и отделен от Галактики Андромеды , своего ближайшего крупного соседа, на 780 000 парсеков (2,5 миллиона световых лет).

Пространство между галактиками заполнено разреженным газом ( МГС ) со средней плотностью менее одного атома на кубический метр. Большинство галактик гравитационно организовано в группы , скопления и сверхскопления . Млечный Путь является частью Местной группы , которую она доминирует вместе с галактикой Андромеды . Группа является частью сверхскопления Девы . В самом крупном масштабе эти ассоциации обычно располагаются в виде листов и нитей, окруженных огромными пустотами . И Местная Группа, и Сверхскопление Девы содержатся в гораздо более крупной космической структуре под названием Ланиакея .

Этимология

Слово « галактика» было заимствовано из французского и средневекового латыни из греческого термина Млечный Путь, galaxías (kúklos) γαλαξίας ( κύκλος ) «молочный (круг)», названного в честь его появления в виде молочной полосы света в небе. В греческой мифологии , Зевс ставит свой сын , рожденный смертной женщиной, младенец Геракл , на Hera груди «s , пока она спит , так что ребенок будет пить ее божественное молоко и , таким образом , стать бессмертным. Гера просыпается во время кормления грудью, а затем понимает, что кормит неизвестного ребенка: она отталкивает ребенка, часть ее молока разливается, и это создает полосу света, известную как Млечный Путь.

В астрономической литературе слово «Галактика» с большой буквы часто используется для обозначения нашей галактики, Млечного Пути , чтобы отличить ее от других галактик в нашей Вселенной . Английский термин Млечный Путь восходит к рассказу Чосера ок.  1380 :

Смотри туда, вот, Галактика,
 Которая люди рассекают Млечный Вей ,
 Потому что удар - вот почему.

-  Джеффри Чосер, Дом славы

Изначально галактики были открыты телескопически и были известны как спиральные туманности . Большинство астрономов 18-19 веков считали их либо неразрешенными звездными скоплениями, либо анагалактическими туманностями , и их считали частью Млечного Пути, но их истинный состав и природа оставались загадкой. Наблюдения с использованием больших телескопов нескольких близлежащих ярких галактик, таких как Галактика Андромеды , начали разделять их на огромные скопления звезд, но, основываясь только на видимой слабости и абсолютной численности звезд, истинные расстояния до этих объектов поместили их далеко за пределы Млечного. Способ. По этой причине их обычно называли островными вселенными , но этот термин быстро вышел из употребления, поскольку слово вселенная подразумевало целостность существования. Вместо этого они стали известны просто как галактики.

Номенклатура

Были каталогизированы десятки тысяч галактик, но лишь некоторые из них имеют хорошо известные названия, такие как Галактика Андромеды , Магеллановы Облака , Галактика Водоворот и Галактика Сомбреро . Астрономы работают с числами из определенных каталогов, таких как каталог Мессье , NGC ( новый общий каталог ), IC ( индексный каталог ), CGCG ( каталог галактик и скоплений галактик ), MCG ( морфологический каталог галактик ). , UGC ( Общий каталог галактик Упсалы ) и PGC ( Каталог основных галактик , также известный как LEDA). Все известные галактики появляются в одном или нескольких из этих каталогов, но каждый раз под разными номерами. Например, Мессье 109 (или «М109») - это спиральная галактика, имеющая номер 109 в каталоге Мессье. Он также имеет обозначения NGC 3992, UGC 6937, CGCG 269-023, MCG + 09-20-044 и PGC 37617 (или LEDA 37617). Миллионы более тусклых галактик известны по своим идентификаторам в обзорах неба, таких как Sloan Digital Sky Survey , в котором M109 занесена в каталог как SDSS J115735.97 + 532228.9.

История наблюдений

Осознание того, что мы живем в галактике, которая является одной из многих, идет параллельно с открытием Млечного Пути и других туманностей .

Млечный Путь

Греческий философ Демокрит (450–370 гг. До н.э.) предположил, что яркая полоса на ночном небе, известная как Млечный Путь, может состоять из далеких звезд. Аристотель (384–322 г. до н.э.), однако, считал, что Млечный Путь был вызван «воспламенением огненного выдоха некоторых звезд, которые были большими, многочисленными и близко расположенными друг к другу», и что «возгорание происходит в верхних слоях атмосферы. , в той области Мира, которая непрерывна с небесными движениями ». Neoplatonist философ Олимпиодор Младший ( с.  495 -570 CE) имеет решающее значение этой точки зрения, утверждая , что если Млечный Путь был подлунном (расположен между Землей и Луной) она должна отличаться в разные моменты времени и места на Земле, и что это должен иметь параллакс , которого не было. По его мнению, Млечный Путь был небесным.

Согласно Мохани Мохамеду, арабский астроном Альхазен (965–1037) сделал первую попытку наблюдения и измерения параллакса Млечного Пути, и таким образом он «определил, что, поскольку у Млечного Пути нет параллакса, он должен быть удален от Земли, а не принадлежит в атмосферу ". Персидский астроном аль-Бируни (973–1048) предположил, что галактика Млечный Путь представляет собой «собрание бесчисленных фрагментов природы туманных звезд». Андалузский астроном Ибн Баджах ("Avempace", ум. 1138) предположил, что он состоит из множества звезд, которые почти соприкасаются друг с другом, и представлял собой непрерывное изображение из-за эффекта преломления от подлунного материала, цитируя свое наблюдение соединения Юпитера и Марса как свидетельство того, что это происходило, когда два объекта находились рядом. В XIV веке сирийский Ибн Кайим предположил, что галактика Млечный Путь представляет собой «мириады крошечных звезд, упакованных вместе в сфере неподвижных звезд».

Форма Млечного Пути по подсчетам звезд Уильямом Гершелем в 1785 году; Предполагалось, что Солнечная система находится недалеко от центра.

Фактическое доказательство того, что Млечный Путь состоит из множества звезд, было получено в 1610 году, когда итальянский астроном Галилео Галилей изучил его с помощью телескопа и обнаружил, что он состоит из огромного количества слабых звезд. В 1750 году английский астроном Томас Райт в своей книге «Оригинальная теория или новая гипотеза Вселенной» правильно предположил, что это может быть вращающееся тело из огромного количества звезд, удерживаемых вместе гравитационными силами, сродни Солнечной системе, но на значительном значении. в большем масштабе, и что получившийся звездный диск можно было бы рассматривать как полосу на небе с нашей точки зрения внутри него. В своем трактате 1755 года Иммануил Кант развил идею Райта о структуре Млечного Пути.

Первый проект по описанию формы Млечного Пути и положения Солнца был предпринят Уильямом Гершелем в 1785 году путем подсчета количества звезд в различных областях неба. Он составил диаграмму формы галактики с Солнечной системой близко к центру . Используя изощренный подход, Каптейн в 1920 году получил изображение небольшой (диаметром около 15 килопарсек) эллипсоидной галактики с Солнцем близко к центру. Другой метод Харлоу Шепли, основанный на каталогизации шаровых скоплений, привел к совершенно иной картине: плоский диск диаметром примерно 70 килопарсек и Солнце далеко от центра. Оба анализа не в состоянии принять во внимание поглощения света по межзвездной пыли , присутствующей в плоскости Галактики ; но после того, как Роберт Джулиус Трамплер количественно оценил этот эффект в 1930 году, изучая рассеянные скопления , появилась нынешняя картина нашей родительской галактики.

Отличие от других туманностей

В темную ночь невооруженным глазом видны несколько галактик за пределами Млечного Пути , в том числе Галактика Андромеды , Большое Магелланово Облако , Малое Магелланово Облако и Галактика Треугольник . В 10 веке персидский астроном ас-Суфи сделал самое раннее зарегистрированное отождествление Галактики Андромеды, назвав ее «маленьким облаком». В 964 году он, вероятно, упомянул Большое Магелланово Облако в своей « Книге неподвижных звезд» (имея в виду «Аль-Бакр южных арабов», поскольку при склонении примерно на 70 ° к югу не было видно, где он жил); он не был хорошо известен европейцам до плавания Магеллана в 16 веке. Галактика Андромеды была позже независимо отмечена Саймоном Мариусом в 1612 году. В 1734 году философ Эмануэль Сведенборг в своей книге «Начала» предположил, что могут существовать галактики за пределами нашей собственной, которые сформировались в галактические скопления, представляющие собой крошечные части Вселенной, простирающиеся далеко за пределы того, что мы делаем. мог видеть. Эти взгляды «удивительно близки к современным взглядам на космос». В 1745 году Пьер Луи Мопертюи предположил, что некоторые подобные туманности объекты представляют собой совокупность звезд с уникальными свойствами, включая свечение, превышающее свет, который их звезды производят сами по себе, и повторил точку зрения Иоганна Гевелиуса о том, что яркие пятна были массивными и сглаженными из-за к их ротации. В 1750 году Томас Райт правильно предположил, что Млечный Путь представляет собой сплющенный звездный диск и что некоторые из туманностей, видимых в ночном небе, могут быть отдельными Млечными путями.

Фотография "Большой туманности Андромеды", сделанная Исааком Робертсом , 1899 г., позже идентифицированная как галактика Андромеды.

К концу 18 века Шарль Мессье составил каталог, содержащий 109 самых ярких небесных объектов, имеющих туманный вид. Впоследствии Уильям Гершель составил каталог из 5000 туманностей. В 1845 году лорд Росс построил новый телескоп и смог различать эллиптические и спиральные туманности. Ему также удалось обнаружить отдельные точечные источники в некоторых из этих туманностей, что подтвердило более раннюю гипотезу Канта.

В 1912 году Весто Слайфер провел спектрографические исследования ярчайших спиральных туманностей с целью определения их состава. Слайфер обнаружил, что спиральные туманности имеют высокие доплеровские сдвиги , что указывает на то, что они движутся со скоростью, превышающей скорость звезд, которые он измерил. Он обнаружил, что большинство этих туманностей удаляются от нас.

В 1917 году Хебер Кертис наблюдал новую звезду S Andromedae в «Большой туманности Андромеды » (в то время называлась галактика Андромеды, объект Мессье M31 ). Просматривая фоторепортаж, он обнаружил еще 11 новых звезд . Кертис заметил , что эти новые звезды, в среднем, 10 величины тусклее , чем те , которые имели место в пределах нашей Галактики. В результате он смог получить оценку расстояния в 150 000  парсеков . Он стал сторонником так называемой гипотезы «островных вселенных», согласно которой спиральные туманности на самом деле являются независимыми галактиками.

В 1920 году между Харлоу Шепли и Хибером Кертисом ( Великие дебаты ) произошел спор о природе Млечного Пути, спиральных туманностей и размеров Вселенной. В подтверждение своего утверждения о том, что Большая туманность Андромеды является внешней галактикой, Кертис отметил появление темных полос, напоминающих пылевые облака в Млечном Пути, а также значительный доплеровский сдвиг.

В 1922 году эстонский астроном Эрнст Эпик дал определение расстояния, которое подтвердило теорию о том, что туманность Андромеды действительно является далеким внегалактическим объектом. Используя новый 100-дюймовый телескоп Маунт Вильсон , Эдвин Хаббл смог разделить внешние части некоторых спиральных туманностей как совокупности отдельных звезд и идентифицировать некоторые переменные цефеиды , что позволило ему оценить расстояние до туманностей: они были слишком далеки. быть частью Млечного Пути. В 1936 году Хаббл разработал классификацию галактической морфологии, которая используется по сей день.

Современные исследования

Кривая вращения типичной спиральной галактики: предсказанная на основе видимого вещества (A) и наблюдаемая (B). Расстояние от галактического ядра .

В 1944 году Хендрик ван де Хюльст предсказал, что микроволновое излучение с длиной волны 21 см будет обнаруживаться в межзвездном атомарном газообразном водороде ; и в 1951 г. это наблюдалось. На это излучение не влияет поглощение пыли, поэтому его доплеровский сдвиг можно использовать для отображения движения газа в нашей галактике. Эти наблюдения привели к гипотезе о вращающейся стержневой структуре в центре нашей галактики. С помощью улучшенных радиотелескопов газообразный водород можно было проследить и в других галактиках. В 1970-х годах Вера Рубин обнаружила несоответствие между наблюдаемой скоростью вращения галактики и предсказанной по видимой массе звезд и газа. Сегодня считается, что проблема вращения галактики объясняется наличием большого количества невидимой темной материи .

Ученые использовали галактики, видимые в обзоре GOODS, чтобы пересчитать общее количество галактик.

Начиная с 1990-х годов космический телескоп Хаббл дал улучшенные наблюдения. Среди прочего, его данные помогли установить, что отсутствующая темная материя в нашей галактике не может состоять исключительно из слабых и маленьких звезд. Hubble Deep Field , чрезвычайно длинные выдержки из относительно пустой части неба, при условии доказательства того, что существует около 125 миллиардов (1,25 × 10 11 ) галактик в наблюдаемой Вселенной. Усовершенствованная технология обнаружения невидимых для человека спектров (радиотелескопы, инфракрасные камеры и рентгеновские телескопы ) позволяет обнаруживать другие галактики, которые не обнаруживаются Хабблом. В частности, исследования в Зоне избегания (область неба, заблокированная для видимого света Млечным путем) выявили ряд новых галактик.

2016 Исследование , опубликованное в The Astrophysical Journal , во главе с Кристофером Конселиче из Ноттингемского университета , использовали 20 лет Хаббл изображений оценить , что наблюдаемая Вселенная содержала по меньшей мере двух триллионов (2 × 10 12 ) галактик. Однако более поздние наблюдения с космического зонда New Horizons из-за пределов зодиакального света уменьшили это количество примерно до 200 миллиардов (2 × 10 11 ).

Типы и морфология

Типы галактик согласно схеме классификации Хаббла: буква E указывает на тип эллиптической галактики; S представляет собой спираль; и SB является перемычкой-спиральная галактика.

Галактики бывают трех основных типов: эллиптические, спиральные и неправильные. Несколько более обширное описание типов галактик, основанное на их внешнем виде, дает последовательность Хаббла . Так как последовательность Хаббла полностью основана на визуальном морфологического типа (формы), он может пропустить некоторые важные характеристики галактик , такие как звездообразования скорости в звездообразования галактик и активности в ядрах активных галактик .

Эллиптические тренажеры

Система классификации Хаббла классифицирует эллиптические галактики на основе их эллиптичности: от E0 (почти сферическая) до E7 (сильно вытянутая). Эти галактики имеют эллипсоидальный профиль, что придает им эллиптический вид независимо от угла обзора. Их внешний вид показывает небольшую структуру, и в них обычно относительно мало межзвездного вещества . Следовательно, эти галактики также имеют низкую долю рассеянных скоплений и пониженную скорость образования новых звезд. Вместо этого в них преобладают, как правило, более старые, более развитые звезды , которые вращаются вокруг общего центра тяжести в случайных направлениях. Звезды содержат небольшое количество тяжелых элементов, поскольку звездообразование прекращается после первоначальной вспышки. В этом смысле они имеют некоторое сходство с гораздо меньшими шаровыми скоплениями .

Самые большие галактики - гигантские эллиптические. Считается, что многие эллиптические галактики образуются в результате взаимодействия галактик , что приводит к столкновению и слиянию. Они могут вырасти до огромных размеров (по сравнению, например, со спиральными галактиками), а гигантские эллиптические галактики часто находятся вблизи ядра больших скоплений галактик.

Оболочечная галактика

Галактика с эллиптической оболочкой NGC 3923 (фотография Хаббла)

Оболочечная галактика - это тип эллиптической галактики, в которой звезды в ее гало расположены в концентрических оболочках. Около одной десятой эллиптических галактик имеют структуру, подобную оболочке, которая никогда не наблюдалась в спиральных галактиках. Считается, что эти структуры развиваются, когда более крупная галактика поглощает меньшую галактику-компаньон - когда два центра галактики приближаются, они начинают колебаться вокруг центральной точки, и колебания создают гравитационную рябь, формирующую оболочки звезд, похожие на рябь, распространяющуюся на воды. Например, у галактики NGC 3923 более 20 оболочек.

Спирали

Спиральные галактики напоминают спиральные вертушки . Хотя звезды и другой видимый материал, содержащийся в такой галактике, лежат в основном на плоскости, большая часть массы в спиральных галактиках существует в примерно сферическом гало темной материи, которое простирается за пределы видимого компонента, как демонстрирует концепция универсальной кривой вращения.

Спиральные галактики состоят из вращающегося диска звезд и межзвездной среды, а также центральной выпуклости из более старых звезд. От выпуклости отходят относительно светлые руки. В схеме классификации Хаббла спиральные галактики указаны как тип S , за которым следует буква ( a , b или c ), которая указывает степень плотности спиральных рукавов и размер центрального балджа. Sa галактика плотно наматывают, плохо определенные руки и обладает относительно большой области сердцевины. С другой стороны, галактика Sc имеет открытые, четко очерченные рукава и небольшую область ядра. Галактику с плохо очерченными рукавами иногда называют хлопьевидной спиральной галактикой ; в отличие от грандиозной спиральной галактики, которая имеет хорошо выраженные спиральные рукава. Считается, что скорость вращения галактики коррелирует с плоскостностью диска, поскольку некоторые спиральные галактики имеют толстые выпуклости, а другие - тонкие и плотные.

В спиральных галактиках спиральные рукава действительно имеют форму приближенных логарифмических спиралей - паттерн, который, как можно теоретически показать, является результатом возмущения равномерно вращающейся массы звезд. Как и звезды, спиральные рукава вращаются вокруг центра, но делают это с постоянной угловой скоростью . Спиральные рукава считаются областями материи высокой плотности или « волнами плотности ». Когда звезды движутся через плечо, пространственная скорость каждой звездной системы изменяется гравитационной силой более высокой плотности. (Скорость возвращается к норме после того, как звезды уходят с другой стороны руки.) Этот эффект сродни «волне» замедления, движущейся по шоссе, заполненному движущимися автомобилями. Рукава видны, потому что высокая плотность способствует звездообразованию, и поэтому они содержат много ярких и молодых звезд.

Спиральная галактика с перемычкой

Большинство спиральных галактик, включая нашу галактику Млечный Путь , имеют линейную полосу звезд в форме стержня, которая простирается по обе стороны от ядра, а затем сливается со структурой спирального рукава. В схеме классификации Хаббла они обозначены буквой SB , за которой следует строчная буква ( a , b или c ), которая указывает форму спиральных рукавов (так же, как классификация нормальных спиральных галактик). Считается, что бары - это временные структуры, которые могут возникать в результате волны плотности, исходящей наружу из ядра, или из-за приливного взаимодействия с другой галактикой. Многие спиральные галактики с перемычкой активны, возможно, из-за того, что газ направляется в ядро ​​по рукавам.

Наша собственная галактика, Млечный Путь , представляет собой большую дискообразную спиральную галактику с перемычкой около 30 килопарсек в диаметре и килопарсек толщиной. Он содержит около двухсот миллиардов (2 × 10 11 ) звезд и имеет общую массу примерно в шестьсот миллиардов (6 × 10 11 ) раз больше массы Солнца.

Сверхсветящаяся спираль

Недавно исследователи описали галактики, названные сверхсветящимися спиралями. Они очень большие, их диаметр составляет 437 000 световых лет (по сравнению с диаметром Млечного Пути в 100 000 световых лет). Имея массу в 340 миллиардов солнечных масс, они излучают значительное количество ультрафиолетового и среднего инфракрасного света. Считается, что у них повышенная скорость звездообразования примерно в 30 раз быстрее, чем у Млечного Пути.

Другие морфологии

  • Пекулярные галактики - это галактические образования, которые развивают необычные свойства из-за приливных взаимодействий с другими галактиками.
    • Кольцо галактики имеет кольцеобразную структуру звезд и межзвездной среды , окружающих голое ядро. Считается, что кольцевая галактика возникает, когда меньшая галактика проходит через ядро ​​спиральной галактики. Такое событие могло повлиять на Галактику Андромеды , поскольку при наблюдении в инфракрасном излучении она имеет структуру, напоминающую множество колец .
  • Чечевицеобразные галактики является промежуточной формой , которая имеет свойства обоих эллиптических и спиральных галактик. Они классифицируются как хаббловский тип S0 и обладают нечеткими спиральными рукавами с эллиптическим гало из звезд ( линзовидные галактики с перемычкой получают классификацию Хаббла SB0).
  • Неправильные галактики - это галактики, которые нельзя легко классифицировать по эллиптической или спиральной морфологии.
    • Галактика Irr-I имеет некоторую структуру, но не полностью соответствует схеме классификации Хаббла.
    • Галактики Irr-II не обладают структурой, напоминающей классификацию Хаббла, и, возможно, были разрушены. Ближайшие примеры (карликовых) неправильных галактик включают Магеллановы Облака .
  • Ультра диффузные галактики (УДГ) является галактикой чрезвычайно низкой плотности. Он может быть того же размера, что и Млечный Путь, но в нем есть видимые звезды, составляющие всего один процент от Млечного Пути. Его отсутствие светимости связано с отсутствием звездообразующего газа, что приводит к старому звездному населению.

Карлики

Несмотря на известность крупных эллиптических и спиральных галактик, большинство галактик являются карликовыми галактиками. Они относительно малы по сравнению с другими галактическими образованиями, их размер составляет около одной сотой Млечного Пути, всего несколько миллиардов звезд. Недавно были обнаружены сверхкомпактные карликовые галактики размером всего 100 парсеков.

Многие карликовые галактики могут вращаться вокруг одной более крупной галактики; У Млечного Пути есть по крайней мере дюжина таких спутников, и, по оценкам, 300–500 еще предстоит обнаружить. Карликовые галактики также можно разделить на эллиптические , спиральные и неправильные . Поскольку маленькие карликовые эллиптические галактики мало похожи на большие эллиптические, их часто называют карликовыми сфероидальными галактиками .

Исследование 27 соседей Млечного Пути показало, что во всех карликовых галактиках центральная масса составляет примерно 10 миллионов солнечных масс , независимо от того, есть ли в ней тысячи или миллионы звезд. Это говорит о том, что галактики в основном образованы темной материей , и что минимальный размер может указывать на форму теплой темной материи, неспособной к гравитационному слиянию в меньшем масштабе.

Другие типы галактик

Взаимодействуя

В Усики Galaxies проходят столкновения , что приведет к их возможному слиянию.

Взаимодействия между галактиками относительно часты и могут играть важную роль в галактической эволюции . Промежутки между галактиками приводят к искажениям из-за приливных взаимодействий и могут вызвать некоторый обмен газом и пылью. Столкновения происходят, когда две галактики проходят напрямую друг через друга и имеют достаточный относительный импульс, чтобы не слиться. Звезды взаимодействующих галактик обычно не сталкиваются, но газ и пыль внутри этих двух форм взаимодействуют, иногда вызывая звездообразование. Столкновение может сильно исказить форму галактик, образуя решетки, кольца или структуры, похожие на хвосты.

На пике взаимодействий находятся слияния галактик, когда относительные импульсы галактик недостаточны, чтобы позволить им проходить друг через друга. Вместо этого они постепенно сливаются в одну большую галактику. Слияния могут привести к значительным изменениям исходной морфологии галактик. Если одна из галактик намного массивнее другой, результат известен как каннибализм , когда более массивная большая галактика остается относительно нетронутой, а меньшая разрывается на части. Галактика Млечного Пути в настоящее время в процессе дробления в Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy и карликовую галактику Canis Major .

Звездообразование

M82 , галактика со вспышкой звездообразования, в которой звездообразование в десять раз больше, чем у "нормальной" галактики.

Звезды создаются внутри галактик из запасов холодного газа, который формирует гигантские молекулярные облака . Было замечено, что некоторые галактики образуют звезды с исключительной скоростью, известной как звездообразование . Если они будут продолжать это делать, они израсходуют свой запас газа за промежуток времени, меньший, чем продолжительность жизни галактики. Следовательно, звездообразование обычно длится всего около десяти миллионов лет, что является относительно коротким периодом в истории галактики. Галактики со вспышками звездообразования были более обычным явлением в раннюю историю Вселенной, но по-прежнему вносят примерно 15% в общее звездообразование.

Галактики со вспышками звездообразования характеризуются скоплением запыленного газа и появлением вновь образованных звезд, в том числе массивных звезд, которые ионизируют окружающие облака, создавая области H II . Эти звезды производят взрывы сверхновых , создавая расширяющиеся остатки, которые сильно взаимодействуют с окружающим газом. Эти вспышки вызывают цепную реакцию звездообразования, которая распространяется по всей газовой области. Только когда доступный газ почти израсходован или рассредоточен, деятельность заканчивается.

Звездные вспышки часто связаны со слиянием или взаимодействием галактик. Прототипом такого взаимодействия, образующего звездообразование, является M82 , которая пережила близкое столкновение с более крупной M81 . Неправильные галактики часто демонстрируют разнесенные узлы звездообразования.

Активная галактика

Струя частиц испускается из ядра эллиптической радиогалактики M87 .

Некоторые наблюдаемые галактики классифицируются как «активные», если они содержат активное галактическое ядро ​​(AGN). Значительная часть общей энергии, выделяемой галактикой, излучается активным ядром, а не ее звездами, пылью и межзвездной средой . Существует несколько схем классификации и наименования галактик AGN, но галактики с более низким диапазоном светимости называются сейфертовскими галактиками , а те, у которых светимость намного больше, чем у основной галактики, известны как квазизвездные объекты или квазары . AGN испускают излучение во всем электромагнитном спектре от радиоволн до рентгеновских лучей, хотя некоторые из них могут поглощаться пылью или газом, связанными с самим AGN или с родительской галактикой.

Стандартная модель активного ядра галактики основана на аккреционном диске, который формируется вокруг сверхмассивной черной дыры (СМЧД) в области ядра галактики. Излучение активного ядра галактики является результатом гравитационной энергии вещества, падающего с диска на черную дыру. Светимость АЯГ зависит от массы СМЧД и скорости падения вещества на нее. Примерно в 10% этих галактик пара диаметрально противоположных энергетических струй выбрасывает частицы из ядра галактики со скоростью, близкой к скорости света . Механизм производства этих струй не совсем понятен.

Blazars

Блазары считаются активными галактиками с релятивистской струей, направленной в сторону Земли. Радиогалактика излучает радиочастоты от релятивистских струй. Единая модель активных галактик этих типов объясняет их различия в зависимости от положения наблюдателя.

ЛАЙНЕРЫ

С активными ядрами галактик (а также с областями вспышек звездообразования ), возможно, связаны области низкоионизационных ядерных эмиссионных линий (ЛАЙНЕРЫ). В излучении галактик типа ЛАЙНЕР преобладают слабоионизованные элементы. Источниками возбуждения слабоионизованных линий являются звезды post- AGB , AGN и ударные волны. Примерно одна треть ближайших галактик классифицируются как содержащие ядра LINER.

Сейфертовская галактика

Сейфертовские галактики - одна из двух самых больших групп активных галактик, наряду с квазарами. У них есть квазароподобные ядра (очень светящиеся, далекие и яркие источники электромагнитного излучения) с очень высокой поверхностной яркостью; но, в отличие от квазаров, их родительские галактики легко обнаружить. Сейфертовские галактики составляют около 10% всех галактик. В видимом свете большинство из них выглядят как обычные спиральные галактики; но при изучении с другими длинами волн светимость их ядер эквивалентна светимости целых галактик размером с Млечный Путь.

Квазар

Квазары (/ ˈkweɪzɑr /) или квазизвездные радиоисточники - самые энергичные и далекие члены активных ядер галактик. Чрезвычайно яркие, они были впервые идентифицированы как источники электромагнитной энергии с большим красным смещением, включая радиоволны и видимый свет, которые казались больше похожими на звезды, чем на протяженные источники, подобные галактикам. Их светимость может быть в 100 раз больше, чем у Млечного Пути.

Светящаяся инфракрасная галактика

Светящиеся инфракрасные галактики (LIRG) - это галактики со светимостью - измерением выходной электромагнитной мощности - выше 10 11 L☉ (солнечной светимости). В большинстве случаев большая часть их энергии исходит от большого количества молодых звезд, которые нагревают окружающую пыль, которая переизлучает энергию в инфракрасном диапазоне. Достаточно высокая светимость, чтобы быть LIRG, требует скорости звездообразования не менее 18 M☉ год −1 . Ультра-светящиеся инфракрасные галактики (ULIRG) по крайней мере в десять раз ярче по-прежнему и образуют звезды со скоростью> 180 M☉ год −1 . Многие LIRG также испускают излучение из AGN. Инфракрасные галактики излучают больше энергии в инфракрасном диапазоне, чем все другие длины волн вместе взятые, с пиковым излучением, как правило, на длинах волн от 60 до 100 микрон. LIRG необычны в локальной вселенной, но были гораздо более распространены, когда Вселенная была моложе.

Характеристики

Магнитные поля

У галактик есть собственные магнитные поля . Они достаточно сильны, чтобы быть динамически важными, поскольку:

  • Управляйте притоком массы в центры галактик
  • Измените формирование спиральных рукавов
  • Может влиять на вращение газа во внешних областях галактик.
  • Обеспечить перенос углового момента, необходимый для коллапса газовых облаков и, следовательно, образования новых звезд.

Типичная средняя сила равнораспределения для спиральных галактик составляет около 10 мкГс ( микрогаусс ) или 1  нТл ( нанотесла ). Для сравнения: магнитное поле Земли имеет среднюю напряженность около 0,3 Гс (Гаусс или 30 мкТл ( микротесла ). Радиослабые галактики, такие как M 31 и M33 , соседи нашего Млечного Пути , имеют более слабые поля (около 5  мкГ), в то время как богатые газом галактики с высокими темпами звездообразования, такие как M 51, M 83 и NGC 6946, имеют в среднем 15 мкГс. В выступающих спиральных рукавах напряженность поля может достигать 25 мкГс в областях, где холодный газ и пыль Наиболее сильные полные равнораспределенные поля (50–100 мкГс) были обнаружены в галактиках со вспышками звездообразования, например, в M 82 и Антеннах , а также в областях ядерных вспышек звездообразования, таких как центры NGC 1097 и других галактик с перемычкой .

Становление и эволюция

Формирование и эволюция галактик - активная область астрофизических исследований .

Формирование

Представление художника о формировании протокластера в ранней Вселенной

Современные космологические модели ранней Вселенной основаны на теории Большого взрыва . Примерно через 300000 лет после этого события начали образовываться атомы водорода и гелия , что называется рекомбинацией . Почти весь водород был нейтральным (неионизированным) и легко поглощал свет, а звезды еще не образовались. В результате этот период получил название « темные века ». Именно из-за флуктуаций плотности (или анизотропных неоднородностей) в этой изначальной материи начали появляться более крупные структуры . В результате массы барионной материи начали конденсироваться в холодных ореолах темной материи . Эти первичные структуры в конечном итоге стали галактиками, которые мы видим сегодня.

Впечатление художника от материала аккреции молодой галактики

Формирование ранней галактики

Свидетельства появления галактик на очень раннем этапе истории Вселенной были найдены в 2006 году, когда было обнаружено, что галактика IOK-1 имеет необычно высокое красное смещение 6,96, что соответствует всего 750 миллионам лет после Большого взрыва и делает его самым высоким. далекая и самая ранняя из наблюдаемых в то время галактик. Хотя некоторые ученые утверждали, что другие объекты (например, Abell 1835 IR1916 ) имеют более высокое красное смещение (и, следовательно, наблюдаются на более ранней стадии эволюции Вселенной), возраст и состав IOK-1 были установлены более надежно. В декабре 2012 года астрономы сообщили, что UDFj-39546284 является наиболее удаленным из известных объектов и имеет значение красного смещения 11,9. Объект, который, по оценкам, существовал около 380 миллионов лет после Большого взрыва (который произошел около 13,8 миллиарда лет назад), находится на расстоянии около 13,42 миллиарда лет, пройденных светом . Существование галактик вскоре после Большого взрыва предполагает, что протогалактики, должно быть, выросли в так называемые «темные века». По состоянию на 5 мая 2015 года галактика EGS-zs8-1 является самой далекой и самой ранней из измеренных галактик, образовавшейся через 670 миллионов лет после Большого взрыва . Свету от EGS-zs8-1 потребовалось 13 миллиардов лет, чтобы достичь Земли, и теперь он находится на расстоянии 30 миллиардов световых лет из-за расширения Вселенной в течение 13 миллиардов лет.

Различные компоненты ближнего инфракрасного фонового света, обнаруженные космическим телескопом Хаббла в обзорах дальнего космоса

Детальный процесс образования самых ранних галактик - открытый вопрос астрофизики. Теории можно разделить на две категории: нисходящие и восходящие. В корреляциях сверху вниз (таких как модель Эггена-Линден-Белла-Сэндиджа [ELS]) протогалактики формируются в крупномасштабном одновременном коллапсе, продолжающемся около ста миллионов лет. В восходящих теориях (таких как модель Серла-Зинна [SZ]) сначала образуются небольшие структуры, такие как шаровые скопления , а затем ряд таких тел срастается, образуя более крупную галактику. Как только протогалактики начали формироваться и сжиматься, внутри них появились первые звезды гало (называемые звездами населения III ). Они почти полностью состояли из водорода и гелия и могли быть более массивными, чем масса Солнца в 100 раз. Если бы это было так, эти огромные звезды быстро израсходовали бы свой запас топлива и стали бы сверхновыми , выпуская тяжелые элементы в межзвездную среду . Это первое поколение звезд реионизировало окружающий нейтральный водород, создавая расширяющиеся пузыри пространства, через которые легко мог проходить свет.

В июне 2015 года астрономы сообщили о наличии звезд населения III в галактике Cosmos Redshift 7 на z = 6.60 . Такие звезды, вероятно, существовали в очень ранней Вселенной (т. Е. С большим красным смещением) и, возможно, начали производство химических элементов, более тяжелых, чем водород , которые необходимы для более позднего образования планет и жизни в том виде, в каком мы ее знаем.

Эволюция

В течение миллиарда лет после образования галактики начинают появляться ключевые структуры. Формируются шаровые скопления , центральная сверхмассивная черная дыра и галактическая выпуклость из бедных металлом звезд населения II . Создание сверхмассивной черной дыры, по-видимому, играет ключевую роль в активном регулировании роста галактик за счет ограничения общего количества добавляемой дополнительной материи. В эту раннюю эпоху галактики претерпевают крупную вспышку звездообразования.

В течение следующих двух миллиардов лет накопленная материя оседает в галактическом диске . Галактика будет продолжать поглощать падающий материал из высокоскоростных облаков и карликовых галактик на протяжении всей своей жизни. Это в основном водород и гелий. Цикл звездного рождения и смерти медленно увеличивается обилие тяжелых элементов, в конечном счете позволяет формирование из планет .

XDF поля зрениясравнению с угловыми размерами от Луны . Наэтом маленьком изображении виднынесколько тысяч галактик, каждая из которых состоит из миллиардов звезд .
Мнение XDF (2012): каждое световое пятнышко - это галактика, возраст некоторых из которых составляет 13,2 миллиарда лет - наблюдаемая Вселенная, по оценкам, содержит от 200 миллиардов до двух триллионов галактик.
Изображение XDF показывает (слева) полностью зрелые галактики, почти зрелые галактики (от пяти до девяти миллиардов лет назад) и протогалактики , сияющие молодыми звездами (более девяти миллиардов лет).

На эволюцию галактик могут существенно повлиять взаимодействия и столкновения. Слияния галактик были обычным явлением в раннюю эпоху, и большинство галактик имели своеобразную морфологию. Учитывая расстояния между звездами, подавляющее большинство звездных систем в сталкивающихся галактиках не пострадают. Однако гравитационное разделение межзвездного газа и пыли, составляющих спиральные рукава, создает длинную цепочку звезд, известную как приливные хвосты. Примеры этих образований можно увидеть в NGC 4676 или в Antennae Galaxies .

Галактика Млечный Путь и соседняя галактика Андромеды движутся навстречу друг другу со скоростью около 130  км / с , и - в зависимости от бокового движения - они могут столкнуться примерно через пять-шесть миллиардов лет. Хотя Млечный Путь никогда раньше не сталкивался с галактикой такого размера, как Андромеда, количество свидетельств прошлых столкновений Млечного Пути с меньшими карликовыми галактиками увеличивается.

Такие крупномасштабные взаимодействия редки. Со временем слияние двух систем равного размера становится все реже. Большинство ярких галактик оставались в основном неизменными за последние несколько миллиардов лет, и чистая скорость звездообразования, вероятно, также достигла своего пика около десяти миллиардов лет назад.

Будущие тенденции

Спиральные галактики, такие как Млечный Путь, порождают новые поколения звезд, если в их спиральных рукавах есть плотные молекулярные облака межзвездного водорода. Эллиптические галактики в значительной степени лишены этого газа и поэтому образуют несколько новых звезд. Запасы звездообразующего материала ограничены; как только звезды превратили имеющийся запас водорода в более тяжелые элементы, новое звездообразование прекратится.

Текущая эпоха формирования звезд , как ожидается , будет продолжаться до ста миллиардов лет, а затем «звездный возраст» будет сворачиваться примерно через десять триллионов до ста триллионов лет (10 13 -10 14  лет), а самым маленьким, Самые долгоживущие звезды в нашей Вселенной, крошечные красные карлики , начинают исчезать. В конце звездного возраста галактики будут состоять из компактных объектов : коричневых карликов , охлаждающихся или холодных белых карликовчерные карлики »), нейтронных звезд и черных дыр . В конце концов, в результате гравитационной релаксации , все звезды либо упадут в центральные сверхмассивные черные дыры, либо будут выброшены в межгалактическое пространство в результате столкновений.

Крупномасштабные конструкции

Секстет Сейферта - пример компактной группы галактик.

Обзоры глубокого космоса показывают, что галактики часто встречаются группами и скоплениями . Одиночные галактики, которые существенно не взаимодействовали с другими галактиками сопоставимой массы за последние миллиард лет, относительно немногочисленны. Только около 5% исследованных галактик оказались действительно изолированными; однако они могли взаимодействовать и даже сливаться с другими галактиками в прошлом и все еще могут вращаться вокруг меньших галактик-спутников. Изолированные галактики могут производить звезды с большей скоростью, чем обычно, поскольку их газ не удаляется другими близлежащими галактиками.

В самом большом масштабе Вселенная постоянно расширяется, что приводит к увеличению расстояния между отдельными галактиками в среднем (см . Закон Хаббла ). Объединения галактик могут преодолеть это расширение в локальном масштабе за счет взаимного гравитационного притяжения. Эти ассоциации сформировались рано, когда сгустки темной материи сблизили соответствующие галактики. Позже соседние группы объединились в более крупные кластеры. Этот продолжающийся процесс слияния (а также приток падающего газа) нагревает межгалактический газ в скоплении до очень высоких температур 30–100 мегакельвинов . Около 70–80% массы скопления находится в форме темной материи, 10–30% состоит из этого нагретого газа, а оставшиеся несколько процентов - в форме галактик.

Большинство галактик гравитационно связаны с рядом других галактик. Они образуют фрактальное иерархическое распределение кластерных структур, причем самые маленькие такие ассоциации называются группами. Группа галактик - наиболее распространенный тип скоплений галактик; эти образования содержат большинство галактик (а также большую часть барионной массы) во Вселенной. Чтобы оставаться гравитационно связанной с такой группой, каждая галактика-член должна иметь достаточно низкую скорость, чтобы предотвратить ее побег (см. Теорему Вириала ). Однако, если кинетической энергии недостаточно , группа может превратиться в меньшее количество галактик в результате слияний.

Нерешенная проблема в физике :

Самые большие структуры во Вселенной больше, чем ожидалось. Это настоящие структуры или случайные колебания плотности?

Скопления галактик состоят из сотен и тысяч галактик, связанных гравитацией. В скоплениях галактик часто преобладает одна гигантская эллиптическая галактика, известная как самая яркая галактика скопления , которая со временем приливно разрушает свои галактики-спутники и добавляет их массу к своей собственной.

Сверхскопления содержат десятки тысяч галактик, которые находятся в скоплениях, группах, а иногда и по отдельности. В масштабе сверхскоплений галактики организованы в слои и волокна, окружающие огромные пустые пустоты. Выше этого масштаба Вселенная кажется одинаковой во всех направлениях ( изотропной и однородной ), хотя это понятие в последние годы было поставлено под сомнение многочисленными открытиями крупномасштабных структур, которые, кажется, превышают этот масштаб. Геркулес-Corona Borealis Great Wall , в настоящее время крупнейшая структура во Вселенной нашли до сих пор, составляет 10 миллиардов световых лет (три gigaparsecs) в длину.

Галактика Млечный Путь является членом ассоциации под названием Local Group , относительно небольшой группы галактик, диаметр которой составляет примерно один мегапарсек. Млечный Путь и Галактика Андромеды - две самые яркие галактики в группе; многие из других галактик-членов являются карликовыми компаньонами этих двух. Сама Местная Группа является частью облачной структуры в сверхскоплении Девы , большой протяженной структуры групп и скоплений галактик с центром в скоплении Девы . А само сверхскопление Девы является частью сверхскопления Рыб и Кита , гигантской нити галактики .

Южная плоскость Млечного Пути в субмиллиметровом диапазоне длин волн

Многоволновое наблюдение

На этом ультрафиолетовом изображении Андромеды видны голубые области, содержащие молодые массивные звезды.

Пиковое излучение большинства звезд приходится на видимый спектр , поэтому наблюдение за звездами, образующими галактики, было важным компонентом оптической астрономии . Это также благоприятная часть спектра для наблюдения ионизированных областей H II и для изучения распределения пыльных рукавов.

Пыль присутствует в межзвездной среде непрозрачна для видимого света. Он более прозрачен для дальнего инфракрасного диапазона , который можно использовать для детального наблюдения за внутренними областями гигантских молекулярных облаков и галактических ядер . Инфракрасное излучение также используется для наблюдения далеких галактик с красным смещением , которые образовались намного раньше. Водяной пар и углекислый газ поглощают ряд полезных частей инфракрасного спектра, поэтому для инфракрасной астрономии используются высотные или космические телескопы .

Первое невизуальное исследование галактик, особенно активных галактик, было проведено с использованием радиочастот . Атмосфера Земли почти прозрачна для радио в диапазоне от 5  МГц до 30 ГГц. (The ионосфера блокирует сигналы ниже этого диапазона.) Большие радио интерферометры были использованы для отображения активных струй , испускаемых из активных ядер. Радиотелескопы также можно использовать для наблюдения за нейтральным водородом (через излучение 21 см ), включая, возможно, неионизированное вещество в ранней Вселенной, которое позже коллапсировало, образуя галактики.

Ультрафиолетовые и рентгеновские телескопы могут наблюдать галактические явления с высокой энергией. Ультрафиолетовые вспышки иногда наблюдаются, когда звезда в далекой галактике отрывается от приливных сил ближайшей черной дыры. Распределение горячего газа в скоплениях галактик можно отобразить с помощью рентгеновских лучей. Существование сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик было подтверждено рентгеновской астрономией.

Галерея

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Источники

Библиография

внешние ссылки