Всесвіт галактик

Важко думати про Всесвіт не уявляючи галактики, завдяки телескопу Габбл ми маємо чудові зображення цих структур. Тож, які типи галактик існують і як вони набувають такої запаромочливої форми.

Типи галактик

Важко сказати скільки у Всесвіті існують галактик у Всесвіті, який нам доступний для спостереження. Оцінки астрономів коливаються від кількох сотень мільярдів до трільйонів. Але багато з того, що ми бачимо дуже схожі на Чумацький Шлях.

Вони мають надзвичайно тонкі і плоскі диски, а також велику опуклість в центрі, яку називають - балджем.

В спіральних рукавах галактик народжуються та живуть найяскравіші зорі галактики, тоді як старіші розповсюджені по всьому диску.

В тім більшість їх розміщені в галактичному балджі а також в гало галактики. Гало - це найтемніша частина галактики. І саме в ній зосереджена основна маса галактики у вигляді зірок, зоряних скупчень, іонізованого гарячого газу і темної матерії.

Скоріш за все галактики у вас асоціюються із спіральними галактиками, але галактики це не тільки впорядковані структури із спіральними рукавами, але це не зовсім так(нижче приклад спіральних галактик).

Наприклад існують еліптичні галактики, які мають форму переважно від кулястої до витягнутого еліпса(нижче приклади еліптичних галактик).

На відміну від більш поширених спіральних своїх родичів, еліптичні зазвичай бідні на газ та пил, а зореутворення у них практично відсутнє та їхня структура нагадує просто величезну купу зірок. Зорі обертаються навколо ядра по хаотичним орбітам і як правило вони старіші за зірки у спіральним рукавах, оскільки газу та пилу замало, щоб народжувати нові покоління світил. Найбільш ймовірним утворення таких структур є зіткнення між галактиками спірального типу.

Також існують галактики лінзоподібні(приклади нижче) і це щось середнє між спіральними та еліптичними галактиками. Вони мають дискову форму, балдж в середині, але не мають яскраво виражених рукавів. Крім того їх зоряні популяції більше схожі на популяції еліптичних галактик і тут теж рідко народжуються нові зорі. Є різні гіпотези їх утворення: можливо це спіральні галактики в яких закінчилося паливо для зореутворення, тому тут не має молодих блакитних зірок, які б окреслювали спіральні рукави.

З іншого боку їх можна пояснити як злиття спіральних галактик, яке зберегло дискову форму, але не рукави.

Також ще одним із типом галактик є галактики неправильної форми(приклади нижче). Які здебільшого виглядають як безладне нагромадження зірок. Представники цього типу галактик можуть утримувати в собі від 10-ки мільйонів до сотні сонячних мас і це насправді в десятки раз менше ніж в Чумацього Шляху та Андромеди. Астрономи вважають, що дивні форми цих галактик здебільшого спричиненні гравітаційними взаємодіями з їхніми масивнішими сусідами.

Крім того, що такі взаємодії ламають структуру таких галактик вони, ще можуть призводити до втрати матеріалу. Але також є і позитивні наслідки - якщо у таких галактиках газу багато, тоді такі взаємодії можуть стискати цей газ, що призводить до зореутворення, що ми часто спостерігаємо.

Є гіпотези, які описують неправильні галактики, як проміжну ланку між спіральними та еліптичними. Тобто на початковому етапі свого життя такі галактики були спіральними, але з часом перетворилися на неправильні в наслідок зіткнення з іншими галактиками.

Зародження галактик

Якщо ми вважаємо, що більшість галактик народжуються спіральними, то як саме з'являється дискова форма? І як спіральні рукави зберігають свою форму протягом мільярди років?

Зробити спіралеподібне плече нескладно оскільки з різних причин речовина в диску може злипатися разом, але такі згустки не триматимуться надто довго. Хоча зорі на периферії рухаються швидше ніж повинні(але повільніше ніж зорі біля центур галактик) тому рукави галактики повинні з часом розтягуватися і ніби намотуватися навколо центру, але спіральні галактики просто не вигялядають такими.

Під час розширення Всесвіту речовина ставала менш щільною, однак гравітація була проти цього. Крихітні згустки речовини могли ставати все більшими стягуючи до себе все більше і більше речовини навколо. Чим масивніший згусток тим більша його гравітація, і відповідно тим більшу масу він може накопичити. В якись момент ці локальні згустки почали руйнуватися під дією власної сили тяжіння стаючи протогалактикою. Така ідея формування галактик влаштовує більшість науковців, але складніше пояснити, як ті ранні галактики отримали сучасну форму?

Зараз існують дві конкоруючі теорії це пояснити. Одна з них називається "зверху-вниз" інша відповідна "знизу-вгору". Зверху-вниз з'явилася першою ще на початку 60-х років. Її головна ідея полягає в тому, що галактики утворилися з гігантських хмар газу масою порівняно з масою сучасної галактики. Коли газ колапсував і ставав щільнішим деякі зорі народилися дуже рано, навіть до того моменту коли хмара сплюснулась у диск. Ці зорі зараз утворюють еліптичний компонент спіральних галактик, тоді як більшість зірок народилися уже у сформованому диску.

Конкоруюча теорія знизу-вгору - є більш свіжою і вона передбачає утворення маленьких протогалактик, що з часом об'єднувалися у великі галактики. Плюси цієї теорії - є в тому, що вона враховує два важливі фактори - злиття галактик та темну матерію.

Річ у тім, що на ранньому етапі Всесвіт швидко розширювався і якщо б Всесвіт складався тільки з нормальної матерії, тоді б у гонці гравітації та розширення перемогло б саме розширення, і в такому разі жодні складні структури(галактики, зірки, планети) не змогли б сформуватися. То ж роль темної матерії в цьому процесі могла б бути ключовою. Вона дала змогу меншим згусткам сформувати протогалактики, які згодом утворилися в такі структури, як Чумацький Шлях.

Масштабне моделювання яке було проведено в 2010 році стверджує, що протогалактики, які побороли розширення були за масою з масами зоряних кулястих скупчень, і це узгоджується з тим, що ми зараз спостерігаємо. Під час злиття галактик вони можуть утримувати дискову форму, якщо галактика зливається із меншою галактикою маса якої не перевищує 10% маси більшої галактики. В іншому випадку це може призвести до хаосу і таким чином утворюються еліптичні гігантські галактики.

Чому галактики мають дискову форму?

Це насправді досить цікаве питання особливо зважаючи на той факт, що гало темної матерії наймасивніша її частина має кулясту форму. Чому ж тоді видима матерія під впливом темного гало сплющується у диск. Ключовим фактором утворення галактики - є початкова хмара з якої вона народилася. Взагалі у всесвіті все обертається - це абсолютно природна характеристика матерії. Незважаючи, що частинки (атоми та молекули) можуть рухатися хаотично чисте обертання завжди є, хоч воно може бути доволі повільним.

Під дією гравітації ці величезні хмари стискаються, що призводить до збільшення швидкості їхнього обертання. Цей фізичний процес відбувається через закон збереження моменту імпульсу. Найкраще він пояснюється на прикладі фігуриста, який кружляє по майданчику з витягнутими руками. Маючи якесь початкове обертання він притискає руки до тіла, що суттєво і неминуче прискорює швидкість його обертання. Те ж саме відбувається із хмарою, коли вона стискається її швидкість обертання неминуче збільшується. Таким чином ми отримуємо хмари зі швидким обертанням.

В середині хмари, що обертається молекули газу постійно стикаються між собою і втрачають свою швидкість, тобто енергію. Таким чином втрачаючи енергію вони повинні опускатися на нижчі рівні, тобто ближче до центру. Власне поблизу центру буде зосереджена основна маса речовини по аналогії із Сонячною системою. Та частина речовини, яка кружляє навколо центру "за течією" утворює диск. Все, що не утворює диск, так чи інакше має знаходитися на орбіті, яка проходиться через диск. І отже будуть нові зіткнення матерії, якісь з них впадуть ближче до центру , а решта продовжать кружляти в площині диску. Таким чином вони будуть формувати все чіткіший диск.

Але це не відбувається із темним галом, темна матерія яка оточує диск галактики не може формувати диск, оскільки не працює, як звичайна матерія. Вона не тільки не взаємодіє зі світлом, а також вона не взаємодіє сама з собою. Отже, куляста форма це те до чого прагне гравітація. Яка змушує гало набувати саме такої форми.

Природа спіральних рукавів

Це насправді логічно, що речовина навколо центру галактики має закручуватися у спіралі. Це пов'язано з тим, що зорі поблизу ядра навколо центру виконують час за менший час ніж зорі на периферії. Цей ефект називають диференціальним обертанням. Так різниця у швидкості не настільки велика, як вважали до відкриття темної матерії, але вона все одно є. Таким чином спіралі це те, що має бути в галактиках. Але проблема в тому, що вигляд спіральних рукавів не піддається такому легкому поясненню.

Якщо б диференціальне обертання було єдинним механізмом формування спіральних рукавів, тоді галактики виглядали як смужки, що щільно намотані навколо центру, але галактики не виглядають таким чином. І мають лише від 2-х до 4-х чітко окреслених рукавів.

Сучасне пояснення такої структури спіральних галактик бере свій початок від 60-х років. Була запропонована теорія згідно якої, що зорі не зосереджуються постійно а проходять крізь них. А візерунок який ми бачимо виникає через хвилі щільності.

Справа в тому, що зорі не мають якихось окреслених меж де вони можуть перебувати. Вони можуть перебувати в різних областях галактики. В тому числі мігрувати з одного рукава в інший. То ж простір між рукавами звісно не є порожній, там багато зірок, які продовжують свій шлях обертаючись навколо центру галактики. Дуже чудово ілюструє зображення вище, на якому видно як окремі зорі входять та виходять з рукавів, а простір між рукавами теж заповнений зірками.

Вперше цей механізм запропонували Цзя-цзяо Лінь та Френк Шу у 1960 році. Іхня ідея полягає в тому, що спіральні рукави утворенні швилями щільності. Тобто величезна кількість зірок, газу та пилу рухаючись навколо ядра потрапляють у зону підвищенного скупчення зірок, що взаємодіють гравітаційно.

Потрапивши в такий "затор" зірки та інша речовина мають сповільнюватися поки поступово не пройдуть цю ділянку. Нарешті після цього вони продовжують свій рух зі звичною швидкістю. Таким чином ділянки де зорі сповільнюються та пришвидшуються для нас це виглядає, як спіральний рукав галактики. Згідно даної теорії хвилі щільності утворюють у зв'язку із тим , що зорі кружляють навколо центру на еліптичних орбітах і чим ближче до ядра то більше це зміщення, що і заставляє зорі накопичуватися в галактичних рукавах.

Наймовірніше газ, що потраплятиме до хвиль щільності почне стискатися тому тут слід очікувати активного народження нових поколінь зірок. Молоді блакитні зорі дуже яскраві і саме вони окреслюють форму галактичних рукавів. Сумною властивістю цих яскравих зірок - є їхній дуже короткий термін життя. Народжуючись в місця активного зореутворення вони насправді не мають багато часу, щоб покинути цю зону. Таким чином яскраві блакитні зорі не встигають далеко втікти, щоб покинути хвилі щільності і помирають саме тут.

Якщо роздивитися галактику на різних довжинах хвиль можна помітити що, зорі менш масивні населяють весь диск галактики. Молоді блакитні зорі просто яскравіші, а отже хвилі щільності будуть яскравішими окреслюючи рукави.

Таким чином, доки в галактиці міститься достатньо газу для зореутворення такі галактики будуть яскраво виділятися своїми спіральними рукавами. Але коли процес зореутворення сповільниться форма галактичних рукавів буде все менш чіткою. Врешті-решт вичерпавши запаси газу галактика майже повністю припиняє зореутворення і спіральні рукави вже взагалі не проглядаються. Ось чому лінзоподібні галактики вважаються кінцевим етапом еволюції спіральних галактик.