Наука і техніка

Як обертаються чорні діри?

2024-10-02T18:59:56.816Z

В листопаді 2014 року автоматизованою системою для пошуку наднових був виявлений спалах Х-випромінювання(рентгенівське випромінювання) був виявлений спалах, але це була не наднова.

Ілюстративне зображення чорної діри

Сигнал прийшов із галактики розташованої на відстані 290 мільйонів світлових років. Вважається що зірка подібної на Сонце підійшла занадто близько до чорної діри і була поглинута нею. Маса чорної діри була масивніша за Сонце в мільйон разів. Такі події є дуже рідкісними. Одна така подія стається один раз на 10-100 тисяч років. Така подія називається спалахом припливного руйнування - коли ближчий бік зірки до чорної діри сильніше притягує ніж дальший, і в результаті це розриває зірку на частини і вона по спіралі падає у чорну діру утворюючи акреаційний диск.

Розрив зорі на частини при падінні у чорну діру

Три рентгенівські телескопи були спрямовані певний час в ділянку неба, де відбулася дана подія. І вони виявили потужні регулярні імпульси X-випромінювання кожні 131 секунду. Впродовж 450 днів потужність спалахів не зменшувалася.

Потужність спалахів даної події

Насправді потужність рентгенівських імпульсів з часом зросла приблизно на 40%

Якими параметрами характеризуються чорні діри?

Чорні діри характеризуються тільки двома параметрами: масою та обертанням(тобто моментом імпульсу).

Масу чорної діри доволі легко визначається, так як далеко від чорної діри справедливі навіть нютонівські закони. Вимірюючи вплив чорної діри на інші об'єкти ви можете оцінити масу чорної діри. Таким чином були знайдені чорні діри від кількох сонячних(чорні діри зоряних мас) до мільярдів сонячних мас(надмасивні чорні діри).

Загально прийнято вважати, що надмасивні чорні діри - є в центрах більшості галактик включно з нашою. Враховуючи, що чорні діри утворюються при колапсі масивних зірок, а всі зорі обертаються то чорні діри також повинні обертатися. Ймовірність того, що речовина просто зколапсує в точку без обертання близька до нуля. До того ж при падінні речовини додає їй власний момент імпульсу подібно до того як фігурист притискає руки до тіла збільшуючи швидкість власного обертання. Обертання чорної діри важко виміряти, так як на відміну від маси воно впливає на відносно близькі об'єкти.

Обертання чорної діри

Способи які допомагають виявити обертання чорної діри

Існують три способи за допомогою яких виявляють обертання чорної діри. В ньютонівській фізиці тіло може обертатися навколо іншого тіла тільки по стійкій коловій чи еліптичній орбіті і її радіус може бути будь який.

На відміну від ньютонівської фізиці у загальній теорії відносності все не так. Існує внутрішня колова орбіта з радіусом відомим як r-isco.

r-isco

На меншій відстані стійкі орбіти не можливі, так як всі тіла які знаходяться на меншій орбіті ніж r-isco потрапляють у чорну діру. Тож коли ви дивитися, як чорна діра поглинає матеріал, внутрішній край акреаційного диску має радіус r-isco.

Варто зауважити, що радіус r-isco залежить і від обертання чорної діри. Чим швидше обертається чорна діра тим менший стає цей радіус. Це пов'язано з тим, що об'єктам потрібна більша кінетична енергія, щоб залишатися на орбіті. Це прямий наслідок закону всесвітнього тяжіння.

Обертання чорної діри виражається параметром а* який може бути від 0(не має обертання) до 1(повне обертання). При збільшенні швидкості обертання, як було зазначено вище радіус r-isco зменшується до того моменту поки r-isco не досягне горизонту подій чорної діри. І це на думку багатьох вчених обмежує максимальну швидкість обертання чорної діри і вважається, що максимальне значення а* складає 0,998.

Щоб використати r-isco для визначення обертання чорної діри потрібно визначити радіус тіні в середині акреаційного диска чорної діри тоді знаючи r-isco можна визначити швидкість обертання чорної діри.

Деякі чорні діри для яких визначений параметр а*

Але цей метод працює виключно якщо випромінювання акреаційного диска близьке до випромінювання абсолютно чорного тіла.

Другий спосіб полягає у вивченні х-випромінювання заліза біля чорної діри. Деякі чорні діри мають чітку лінію заліза у своєму спектрі. Але варто зауважити, що лінія зміщена через доплерівський зсув зумовлений високими швидкостями в акреаційному диску та через червоне зміщення зумовлене екстримальною гравітацією. Низькоенергетична межа випромінювання заліза дозволяє визначити r-isco.

Лінія випромінювання заліза

Якщо немає яскравої лінії випромінювання заліза використовують третій метод. В такому випадку шукають періодичні коливання та варіації в даних, як імпульси Х-випромінювання кожні 131 секунду. Ці повторювальні імпульси можуть бути викликані згустками речовини в акреаційному диску і при такій високій частоті вони повинні обертатися дуже близько до r-isco на швидкості, що дорівнює половині швидкості світла.

Автори даного дослідження стверджують, що ще до початку руйнування на орбті навколо чорної діри перебував білий карлик, який може перебувати на такій орбіті 100-200 років. Сам білий карлик практично невидимий, але інша зірка була розірвана припливною взаємодією сформувавши акреаційний диск. І таким чином білий карлик був оповитий гарячою яскравою речовиною утворивши пляму Х-випромінювання. Період обертання якої безпосередньо пов'язаний з обертанням чорної діри. У цьому випадку період обертання дорівнює від 0,7.

Перше таке вимірювання стало можливим завдяки припливній взаємодії і воно може бути чудовим способом для визначення обертання чорних дір. Особливо тих, які не мають акреаційних дисків, а це 95% надмасивних чорних дір.

Надмасивні чорні діри можуть рости двома способами: за рахунок поглинання речовини, тоді їхній момент імпульсу буде високий. Це пов'язано із великим падінням речовини на чорну діру, що збільшують її момент імпульсу.

На відміну від першого способу чорні діри, ще можуть рости за рахунок злиття з іншими чорними дірами, тоді момент імпульсу буде менший ніж в першому варіанті. Це тому, що їхні орбіти будуть орієнтовані випадково.

Вивчаючи як надмасивні чорні діри ростуть це дасть змогу краще зрозуміти як проти мільйони років росли та розвивалися галактики.

Яка температура Всесвіту?

2024-09-28T16:15:15.716Z

Якби ми мали змогу мандрувати між різними світами, між різними зоряними системами, тоді в певний момент ми зрозуміли, що наше Сонце більше не зігріває нас своїми теплими променями. То ж собою потрібно брати теплі речі, так як у Всесвіті має бути м'яко кажучи прохолодно. Але ключеве питання - на скільки Всесвіт насправді холодний?

Насправді дане формалювання є не зовсім коректним. Простір не є холодним взагалі, тому що простір - це ніщо. І відповідно він не може мати температури. Температура - показник швидкості руху молекул. І саме по цій причині температура відноситься до об'єктів таких як, зорі, планети, астероїди, космічні кораблі та астронавти, так як всі вищеперелічені об'єкти складаються з атомів та молекул, на відміну від простору. Так як самий простір не складається ні з атомів, ні відповідно з молекул температуру його виміряти не вдасться, тому що він її немає.

Теплота проти температури

Перш ніж говорити наскільки холодно чи жарко у космосі потрібно зрозуміти різницю між температурою та теплотою. Не зважаючи на то, що температура та теплота досить часто використовуються, як взаємозамінні поняття, але насправді між ними є різниця.

Теплота - це енергія, яка передається від одного тіла до іншого внаслідок різниці температур і вимірюється вона в джоулях або в калоріях. Іншими словами, теплота - це загальна кількість кінетичної енергії, що володіють молекули, які рухаються в речовині.

Температура не є енергією, а є мірою нагрівання тіла через коливання молекул в середині нього. Тобто, температура це наслідок тепла і залежить від того наскільки швидко рухаються молекули в речовині. Вимірюється в градусах Цельсія та Кельвіна.

Також теплота має здатність виконувати роботу - нагрівати, а температура в свою чергу може вимірювати лише кількість роботи, яка виконується теплом.

Теплота залежить від таких факторів, як швидкість частинок, їх розмір та кількість. З іншого боку температура від цього не залежить.

Наприклад, чашка кави та повна ванна води можуть мати однакову температуру. Але, у ванні знаходиться більше частинок і як результат ванна містить більше теплової енергії, як чашка кави.

Надаючи більше енергії певній матерії ви фактично збільшуєте швидкість коливання молекул в середині неї, що можна виміряти як температуру.

За винятком зірок, планет, астероїдів та інших тіл більшість космосу - це вакуум. Очевидно, що у вакуумі не має матерії температуру, якого можна виміряти. Отже, про температуру космосу можна взагалі не говорити.

Теплова енергія зірок і перепади температур

Більшість тепла у Всесвіті надходить від зірок. В середині них де відбувається термоядерний синтез температура може сягати 10-ки мільйонів Кельвінів, а на поверхні 10-ки тисяч Кельвінів. Теплова енергія, яка залишає зірку поширюється в космос у вигляді інфрачервоного випромінювання.

Як теплова енергія покидає поверхню зорі

Ці електромагнітні хвилі збуджують молекули речовини з якими контактують викликаючи нагрівання. Але варто розуміти, що сонячні промені нагрівають лише частинки матерії з якими контактують, а все що не потрапляє під їхній вплив залишається холодним. Саме по цій причині в космосі можна спостерігати за земними мірками перепади температур. Наприклад навіть у найближчої планети до Сонця - Меркурія температура вночі опускається до 90 Кельвінів/-183 градуси по Цельсія. При тому, що вдень на екваторі планети температура піднімається до 740 Кельвінів/467 Цельсія

Меркурій - найближча до Сонця планета

Взагалі найхолодніше місце у Сонячній системі - це не є якись далекий об'єкт, що обертається у поясі Койпера. У 2009 році науковці виміряли глибину темного кратера на поверхні Місяця і там температура впала до 33 Кельвінів/-240 Цельсія. Сонячні промені просто не дістають дна кратера, тому там настільки холодно.

Для порівняння середня температура поверхні Плутона, який знаходиться в 40 разів від Сонця ніж Земля та Місяць і отримує вкрай мало сонячного випромінювання і складає 40 Кельвінів/-233 Цельсія. Тобто там навіть тепліше ніж в кратері Місяця.

Поверхня Плутона

З іншого боку звичайний шматок Заліза, який знаходиться на навколоземній орбіті може сильно нагріватися. Наприклад температура корпусу міжнародної космічної станції, яка звернена до Сонця може нагрітися до 393 Кельвінів/120 Цельсія. Натомість на темній температура може опуститися до 116 Кельвінів/-157 Цельсія. Саме тому скафандри астронавтів оснащені як і нагрівачами так і охолоджувачами.

Атмосфера - це прекрасно!

На Землі не має таких великих перепадів температур, це тому що теплота на нашій планеті поширюється не одним, а одразу трьома способами: провідністю, конвекцією та випромінюванням.

Коли сонячні промені нагрівають молекули в нашій атмосфері ці молекули передають свою енергію іншим молекулам навколо потім ці молекули зіштовхуються зі своїми сусідами змушуючи їх рухатися швидше, а отже, підвищуючи температуру атмосфери. Ця передача тепла від молекули до молекули називається - провідністю. І це саме та причина, чому ховаючись від Сонця в тіні ви не замерзните, оскільки повітря зберігає велику кількість тепла. Ви постійно стикаєтеся з мільйонами частинок і зігріваєтеся від цієї взаємодії.

Передача тепла у космосі

Космос - це майже вакуум, незважаючи на те, що в ньому міститься газ, але він є дуже розріджений та й молекули розташовані досить далеко одна від одної, щоб регулярно стикатися між собою. Таким чином навіть коли Сонце їх нагріває своїми інфрачервоними хвилями передача тепла через провідність майже неможлива. І саме з цієї причини в космосі не має звуку, так як в космосі не достатньо молекул, щоб вібрувати і переносити звук. Тому, єдиним способом передачі тепла у космосі - є випромінювання. Для розповсюдження якого зовсім не обов'язкова наявність матерії.

Температура залежить від місця у Всесвіті

Отже, коли ми вирушаємо у космос важлива не температура, а наявність джерела енергії і наскільки добре воно нагріває предмети з якими контактує. Якщо взяти один і той самий предмет і розмістити його в різних частинах Всесвіту єдине, що буде визначати його температуру - це відстань до джерела тепла. Тобто, де б ви не знаходилися в космосі ваша температура буде залежати від відстані до космічних об'єктів, що вас оточує зірок, планет і т.д. Чим більша кількість радіації падає на вас, тим гарячішим ви стаєте, і навпаки кількість випромінювання, що до вас надходить буде меншим за кількість випромінювання, що віддаєте ви почнете замерзати.

Чим дальше ви будете віддалятися від Сонця тим холодніші об'єкти ви будете знаходити, наприклад температура Нептуна який знаходиться в 30 разів дальше від Сонця ніж Земля зазвичай не перевищує 55 Кельвінів/-218 Цельсія.

Нептун - найдальша планета від Сонця

Але чим дальше ви подорожуєте від Сонця тим більше розумієте наскільки там можна охолонути. На відстані уже в 100-ні разів дальше від Сонця ви помітите, що температура більше не надходить від одного джерела. Натомість температура, яка надходить від інших зірок, газів та плазми уже почне мати значення.

В міру того, як ви віддаляєтеся від Сонця ви помічаєте, як ваша температура не опускається нижче 10-20 Кельвінів.

Проте уявімо, що ви рухаєтеся далі не тільки за межі Сонячної системи , а й за межу Чумацького Шляху, де вже не буде впливати випромінювання зірок, хмар газу та пилу і єдиним впливом на температуру залишається - космічне мікрохвильове випромінювання - перше світло, яке вирвалося після Великого Вибуху.

Мікрохвильове випромінювання - перше світло після Великого Вибуху

Найхолодніше місце у Всесвіті

Щільність мікрохвильового випромінювання має приблизно 400 фотонів/см3 та температуру 2,7 Кельвінів. Це випромінювання заповнює весь Всесвіт та будь який об'єкт, що сам дрейфує у Всесвіті все одно нагріється до цієї температури. То ж навіть десь посеред гігантських порожнеч де практично не має матерії - це саме та температура до якої можна охолонути у відкритому космосі.

Незважаючи, що температура реліктового випромінювання досить близька до абсолютного нуля це не є остаточний мінімум температур, якого можуть досягти об'єкти у космосі.

Найхолоднішим місцем у Всесвіті є туманність Бумеранг і це незважаючи на те, що в центрі є гігантська червона гаряча зоря, яка випромінює як видиме так і інфрачервоне випромінювання. Температура якої складає 0,5 Кельвінів і це всього лиш трішки менше абсолютного нуля і відповідно суттєво холодніше за мікрохвильове випромінювання. Але виникає питання, як це взагалі можливо?

У Всесвіті - є лише один механізм охолодження до таких температур - це розширення газу. Як відомо газ при стисненні нагрівається, а при розширенні - охолоджується. Серед зір найбільше розширюються і відповідно найшвидше охолоджуються - червоні гіганти.

Коли такі зорі скидають зовнішні шари вони розширюють навколишній газ утворюючи планетарну туманність. Але швидкість розширення газу в цій туманності настільки високий, що газ зміг охолонути до температури 0,5 Кельвінів.

Туманність Бумеранг - найхолодніше місце у Всесвіті

Туманність Бумеранг

Тому коли постає питання, яка температура в космосі все залежить де саме в космосі ви знаходитеся. А сам космос не холодний і не гарячий він просто великий. І настільки великий, що в більшій його частині не має речовини температуру якої можна виміряти.

Зародження зір

2024-09-23T16:22:15.871Z

Історично зорі нам здаються вічними. Вони не змінюються впродовж нашого життя і майже не змінюються за тисячі років поки люди за ними спостерігають. Фактично зорі в небі це не єдине, що залишається сталим у нашому маленькому світі. Проте одним із ключих розумінь сучасної астрономії стало, те що зорі насправді еволюцінують. Сяють мільйони, мільярди і навіть трільйони років, а потім помирають викидаючи свій вміст у галактику та прокладаючи шлях для наступного покоління.

Зорі - є основною "лабораторією" для синтезу важливих елементів і звісно вони зігрівають нас та дають таку важливу енергію для життя. Фактично саме зорі лежать в основі всього, що ми бачимо, чуємо та відчуваємо на дотик. То ж розуміння їхньої еволюції означає розуміння як працює Всесвіт. На наше щастя ці об'єкти розкрили багато таємниць своєї природи. То ж в цій статті ми детально розберемо як вони утворюються та еволюцінують.

Про Великий Вибух

Завдяки роботам Едвіна Габбла та Жоржа Леметра було встановлено, що галактики віддаляються одна від одної. Кількісну оцінку цього віддалення можна отримати із закону Габбла-Леметра, який стверджує, що віддалення галактик між собою пропорційно відстані між ними.

Цікавою особливістю цього закону є те, що якщо взяти галактики, які знаходяться достатньо далеко одна від одної то можна отримати швидкість розбігання галактик, яка перевищує швидкість світла. Незважаючи, що швидкість світла - є максимально можливою швидкістю руху будь яких об'єктів - це є можливим, так як це не галактики рухаються швидше за світлом, а між галактиками стає більше простору.

Епохи нуклеосинтезу та рекомбінації

Великий Вибух поділяється на декілька так званих епох, але для стислості ми опустимо найраніші з них. Відразу перейдемо до епохи приблизно через 1 с після Великого Вибоху - епохи нуклеосинтезу. Нуклеос перекладається, як ядро в даному випадку атомне а синтез - створення.

Важливо розуміти, що зі збільшення Всесвіту і як результат густина та температура - зменшувалися. Це призвело до того, що температура опустилася від чисел з 10-ми нулів до відносно незначного мільярда Кельвінів та зменшення фотонного випромінювання, яке утворилося раніше і залишки якого ми можемо спостерігати навіть зараз у вигляді реліктового випромінювання і ви отримаєте рецепт "Вселенського супу" з якого утворилися перші елементи.

Ними стали водень, гелій та літій а також їхні ізотопи. Важчі елементи змогли утворитися тільки у надрах перших зір де утворилися відповідні температура та густина.

На першій секунді після Великого Вибуху найбільша частка речовини припадала саме на водень та гелій у масовому співвідношенні приблизно 75% на 25%. Решта елементів складала менше 1% і з того часу цей розподіл залишається майже незмінним.

Наступна епоха почалася за 400 000 років після епохи нуклеосинтезу. Середня температура у Всесвіті впала до 3000 Кельвінів. Плазма охолола достатньо, щоб розпочався процес рекомбінації. Рекомбінація - це коли електрони рухаються достатньо повільно, щоб бути захопленими атомними ядрами завдяки тому, що протилежні заряди притягуються.

Розподіл матерії

Виходячи із ідеї про надзвичайно малий та дуже щільний стан в якому Всесвіт перебував виходить, що вся речовина має бути розподілена майже рівномірно. Але, якщо б речовина була розподілена абсолютно рівномірно перші зорі та галактики ніколи б не сформувалися.

У системі з мінімальною ентропією а також коли ентропія сягає максимуму жодні складні структури не можуть утворюватися. Лише між цими значення можуть утворюватися складні молекули та сполуки, формуватися планети, зорі , галактики і навіть з'являтися життя. При чому для життя потрібне постійне надходження низької ентропії, яку власне і забезпечують зорі.

Завдяки ефекту - гравітаційна нестійкість розподіл матерії та енергії в просторі став нерівномірний. Флуктуації(випадкові збурення) у Всесвіті раптом роздулися із самим Всесвітом до неймовірних масштабів і це призвело до того, що матерія розприділилася нерівномірно. А де з'являються неоднорідності там почали виникати перші складні структури - від атомів до скупчень галактик.

Молекулярні хмари

Отже, таким чином утворилися перші структури - молекулярні хмари. Оскільки ці хмари складаються з молекул газів.

Стовпи Творіння - одна із типових молекулярних хмар

Зазвичай молекулярні хмари масивніші за Сонце від 10 000 - 1 000 000 разів та мають вражаючі розміри від 50 - 300 світлових років у діаметрі. Найважливішою їх особливістю - є висока густина речовини - 100 - 1000 частинок/см3. Здавалося це мізерна концентрація, але наприклад густина Всесвіту 1 частинка/м3, що в багато мільйонів разів менше густини подібної хмари.

В середині молекулярних хмар - є області із ще більшою густиною і їх прийнято називати молекулярними ядрами. Іноді їх називають щільними - це пов'язано з тим, що їх густина становить від 10 000 - 1 000 000 частинок/см3, що в трільйон разів більше за густину Всесвіту.

В залежності від візуального вигляду молекулярних хмар астрономи їх поділяють на три категорії:

Темні - майже не пропускають світло у видимому діапазоні, тому ми бачимо як темні плями на фоні більш яскравих об'єктів.
Напівпрозорі - пропускають певну частину видимого світла
Дифузні - є найменш щільними з усіх 3-х категорій.

Отже, молекулярна хмара слугує осередком народження зір. Через це її іноді називають "зор'яною колискою". Варто зазначити, що речовина у хмарі має обов'язково бути дуже холодною в межах 10 Кельвінів. Це пов'язано з тим, що гарячі молекули мають високу кінетичну енергію, відповідно вони швидко рухаються та не дають гравітації стиснути себе разом. Через відсутність теплообміну у космічному вакуумі - єдиним способом зниження температури - це випромінювання. Такий метод тепла має вкрай низьку ефективність. Тому пройдуть мільйони років перш ніж гарячий газ стане придатним для зореутворення.

Колапс хмари

Після того, як гравітаційні сили стають домінуючими в молекулярній хмарі, що охолоджується в ній з'являються кілька зон підвищеної концентрації атомів. Чим більша концентрація речовини в області тим більшу масу ця область має і відповідно збільшується її гравітаційний вплив на решту хмари. Зрештою вона накопичує на собі навколишню речовину неначе сніжка стаючи дедалі більшою. Поступово із 100-нь областей залишається лише невелика їх частина, які змогли закріпити своє гравітаційне домінування в хмарі. В решті решт з них і утворюється майбутні зорі та планети.

Варто також згадати про закони імпульсу та моменту імпульсу оскільки вони є дуже важливими у цьому процесі. Імпульс - це просто добуток маси на швидкість її руху відмінний від нуля. Кожна частинка хмари має власний імпульс, але через те, що вони рухаються хаотично відносно центру сумарний імпульс = 0.

Момент імпульсу - це загальний обертовий рух системи. Його можна зобразити дуже простою формулою(m - маса, V - швидкість обертання, r - радіус хмари):

Формула моменту імпульсу

Оскільки таку велику систему, як хмара можна розглядати як замкнену то її момент імпульсу повинен зберігатися. Однак хмара може стискатися під дією власною силою тяжіння, звісно маса залишається незмінною і щоб зберігся її момент імпульсу повинна підвищитися швидкість її обертання.

Рух потоків газів в середині хмари

Момент імпульсу хмари утворюється за рахунок потоків газів в середині неї. Всі вони розміщенні на певній відстані від центра мас, тобто мають певний момент імпульсу, а оскільки напрямки рухів хаотичні вони частково компенсують один одного. То ж зі стисненням хмара обертається все швидше, а на будь яке тіло, що обертається діють відцентрові сили. Чим більша швидкість обертання тим сильніше в центрі об'єкт стискається і розтягується біля полюсів, а при достатньо високій швидкості обертання відцентрові сили можуть розірвати його на декілька частин. Якщо об'єкт не набрав достатній момент імпульсу під час формування тоді, він впаде на найближчий масивний об'єкт. І саме по цій причині одиночні та подвійні зорі зустрічаються часто , а подвійні зорі з екзопланетами явище рідкісне.

Протозорі

Газ з якого складаються молекулярні хмари тяжіє до молекулярних ядер утворюючи протозорю та протопланетний диск. Така протозоря поступово набирає масу завдяки гравітації, а також нагрівається за рахунок тертя газу, що обертається навколо ядра. Іноді тертя може нагрівати газ до надвисоких температур, які можуть сягати мільйони Кельвінів.

Утворення протозорі та протопланетного диска

Під дією гравітації речовина із протопланетного диска падає на протозорю сприяючи її подальшій еволюції. Цей процес відбувається доти доки зоря не набере достатньої маси для початку термоядерного синтезу.

Як речовина із протопланетного диска падає на протозорю

Тиск світла

Також потрібно згадати про ще одне фізичне явище - тиск світла. Це явище дуже важко зафіксувати і в побуті ми його не відчуваємо, але в масштабах зір його сила кратно збільшується. Саме тиск випромінювання відштовхує частинки від зорі і чим ближче до неї тим сильніше це відштовхування. Така цікава властивість випромінювання фактично зупиняє надходження речовини на зорю і відповідно збільшення її маси.

Як тиск світла відштовхує речовину від зорі

Також саме тиск випромінювання - це те, що забезпечує гідростатичну рівновагу величезної зорі. Саме тиск світла, яке випромінюється зоряним ядром, а також стиснута плазма, яка прагне до розширення, саме це і отримує від колапсу верхні шари зорі завтовшки сотні тисяч кілометрів.

Інтенсивність випромінювання настільки висока, що людина зможе буквально парити в цьому світлі, звісно з урахуванням того, що за тисячну частку секунди ваше тіло стало більше просмаженішим ніж стейки з ресторану.

Важливо, що гідростатична рівновага - це те, що відділяє дорослу зорю від протозорі, а також зір на пізній стадії еволюції.

Оскільки випромінювання здмухує частинкимолекулярної хмари подальше від себе, то ці частинки можуть захоплюватися гравітацією інших зір. Таким чином вони починають тиснути на інші молекули збільшуючи густину окремих регіонів молекулярних хмар та утворюючи нові молекулярні ядра. Тому зорі часто формуються не поодиноко, а у великих групах, які ми називаємо зоряними скупченнями.

Окрім випромінювання народження зір можуть стимулювати інші астрономічні явища. Наприклад, ударна хвиля від вибуху наднової тисне на молекули в молекулярній хмарі так само, як і випромінювання, але значно швидше та в більших масштабах.

Також стимулювання народженню зір можуть бути зіштовхування молекулярних хмар між собою, або проходження їх поблизу рукавів галактики.

Зіштовхування молекулярних хмар

Часом речовини в хмарі не вистачає для переходу від протозорі до повноцінної зорі. Такі небесні тіла на межі між великими планетами та зорями називають коричневими карликами.

Коричневий карлик

Особливості Андромеди. Подібності та відмінності від Чумацького Шляху

2024-09-20T17:47:50.570Z

Помітною особливістю таких галактик, як Андромеда та Чумацький Шлях - є величезні зоряні кластери, що виглядають, як окремі галактики. Ці кластери називаються зоряні скупчення, яких у Андромеди налічується понад 450.

Іхня кількість втричі більша ніж відома їх кількість у Чумацькому Шляху, але варто не забувати, що ми знаходимося посеред диску Чумацького Шляху.

Кулясті скупчення

Приклад кулястих скупчень

Кулясті скупчення мають здебільшого сферичну форму і містять сотні тисяч, а іноді і мільйони зірок. І цікаво, що ці зорі зазвичай дуже старі, і вони не тільки найстарші у своїх галактиках, а й у Всесвіті загалом.

Кулясте скупчення в інфрачервоному діапазоні

Це зорі крайнього другого покоління(дуже бідні на метали) та віком від 12-13 мільярдів років. Найбільшим кулястим скупченням у місцевій групі(Mayall II) пов'язане саме з Андромедою і кружляє навколо її ядра на відстані 130 000 світлових років.

Mayall II - найбільше кулясте скупчення в місцевій групі галактик

Скупчення Mayall II містить у своєму складі кілька мільйонів зір і воно вдвічі масивніше за Омегу Центавра - найбільше скупчення Чумацького Шляху.

Омега Центавра

Через те, що зоряне населення Mayall II має дещо різну металічність, а саме скупчення занадто масивне - є гіпотеза, що це може бути ядро однієї із карликових галактик, яке Андромеда поглинула в процесі своєї еволюції.

Ультраблакитні зорі

Найбільше зірок скупчуються поблизу ядра. Ця світлина(нижче) охоплює приблизно 8 тисяч світлових років. Мільйони зірок, що оточують надмасивну чорну діру в центрі виглядають, як одне яскраве джерело світла, але зверніть увагу на блакитні крапочки, що розкидані по всьому зображенню.

світлина Габбла на якому зображене галактичне ядро

Можна подумати, що блакитний колір свідчить про яскраві молоді зорі, але в цьому випадку якраз навпаки. Так звані ультраблакитні зорі, які передчасно скинули свої оболонки та оголили надзвичайно гарячі ядра.

Скидання зовнішньої оболонки наприкінці життя зорі

Габбл зазнімкував їх в той самий момент коли вони були найяскравішими, незадовго як стати білими карликами. Насправді вони настільки яскраві, тому що це зображення отримане за допомогою декількох фільтрів, в тому числі - ультрафіолетовому. Через те, що зорі поблизу ядра багаті металами вони повинні ефективніше скидати зовніші оболонки і викидати більше матеріалу ніж зірки із меншою металічністю. Тому в цей момент вони будуть набагато яскравішими ніж наприклад Сонце за кілька мільярдів років, коли робитиме те саме. Це також підтверджується спостереженнями - кількість ультраблакитних зірок падає із віддаленістю від ядра, і також знижується металічність зірок чим дальше від ядра вони знаходяться.

Проблема подвійного ядра

На прикинці 80-х років спостереження показали, що найяскравіша частина M31 була ніби зміщена на кілька світлових років від ділянки, яка насправді має бути центром. У 1991 році Габбл нарешті показав в чому річ. Виявилося, що ядро Андромеди дещо складніше ніж може здатися на перший погляд, оскільки воно подвійне, принаймі виглядає таким.

Світлина від Габбла центру ядра Андромеди

Причому на цій світлині від Габбла(вище) справжній центр - є тьмяніша ділянка, а світліша віддалена від нього на 5 світлових років. В середині тьмянішого ядра прихована надмасивна чорна діра масою 100 мільйонів Сонць. Найцікавішим поясненням яскравішої ділянки, що це черговий залишок меншої галактики, яку поглинула M31 в процесі своєї еволюції і єдиним, що вціліло це її яскраве ядро, яке все ще кружляє навколо справжнього центру Андромеди.

Але таке пояснення вже не є популярним, оскільки гравітація надмасивної чорної діри Андромеди має розірвати це скупчення на шматки. Моделі передбачають, що центр поглинутої галактики не протримався і кількох 100 000 років перш ніж був розірваний і змішався із щільною популяцією ядра Андромеди. Єдиним шансом триматися цьому скупченню - це якщо воно теж має мадмасивну чорну діру в своєму центрі, але розподіл зірок на його околицях не демонструє ознак її наявності.

На сьогодні астрономи здебільшого погоджуються, що подвійне ядро - це лише ілюзія і це може бути кільце старих червоних зірок, що обертаються навколо ядра по дуже витягнутих еліптичних орбітам. Коли зорі рухаються по таких орбітах то її швидкості мінімальні у віддаленій точці, тому багато з них можуть накопичуватися у тій ділянці, як під час затору створюючи ілюзію подвійного ядра.

Андромеда - це дві галактики?

Те як зараз виглядає Андромеда - це результат її довгої та бурхливої історії. Але є теорія згідно якої не тільки маленькі галактики траплялися їй на шляху. А те чим є зараз Андромеда раніше було двома спіральними галактиками. Сліди великого зіткнення астрономи знаходять, як в диску Андромеди так і на його околицях.

До прикладу вона має значно більший і масивніший балдж ніж в Чумацього Шляху. Її тьмяне гало насправді дуже різноманітне і має кілька значних зоряних потоків. Деякі з них справді величезні та один з них отримав назву - гігантський потік. Це хвіст зірок, які тягнуться до галактичного диска.

Гігантський потік

І найголовніше динаміка руху зірок Андромеди віком більше 2-х мільярдів років натякає на велике злиття. У 2018 році астрономи Паризької обсерваторії спробували нарешті скласти пазл за допомогою моделювання на потужному суперкомп'ютері. І згідно результатів даного дослідження виявляється, що місцева група дійсно могла містити дві спіральні галактики в частині космосу де зараз знаходиться Андромеда. Менша з них зосереджувала приблизно 25 мільярдів Сонць, але була принаймі в 4-х рази менш масивною за свого компаньйона, якого будемо вважати Протоандромедою.

В результаті бурхливого злиття яке завершилося між 2-3 мільярдами років тому Протоандромеда поглинула свою сусідку перетворивши її на дивну компактну галактику, яку ми сьогодні знаємо як M32.

M32 - еліптична галактика, яка є супутником Андромеди

M32 хоч і виглядає як міні варіант звичайної еліптичної галактики, вона такою виглядає лише на перший погляд.

M32 в ультрафіолеті

M32 в ультрафіолеті досить яскрава, оскільки містить багато молодих гарячих зірок. Чого зовсім не побачити у звичайних еліптичних галактиках. То ж це може бути схоже на залишок більшої спіральної галактики.

Андромеда - реальне зображення зліва, на основі моделювання - справа

Моделювання(вище), яке виконали науковці досить добре відтворює Андромеду у звичному для нас вигляді. Також дуже добре відтворюється гігантський потік, який ще досі тягнеться до диску галактики, як кінцевий етап злиття галактик.

Моделювання, яке показує як тягнеться гігантський потік до диску галактики

Що стосується M110 то схоже, що вона теж взаємодіє з галактикою господарем. Це ще одна карликова галактика Андромеда, що містить 10 мільярдів зірок та що найменше 8 кулястих скупчень. І її також важко назвати мертвою, оскільки є докази великої популяції молодих блакитних зірок

M110 - карликова галактика Андромеди

Проблема кільця супутників

Загалом крім M32 та M110 відомо про 2-х десятки карликових супутників, що кружляють навколо Андромеди. У 2013 році в межах великого дослідження - Pan-Andromeda Archaeological Survey астрономи вивчали M31 та розподіл її супутників. Одним із несподіваних результатів було те, що принаймі з них не кружляють навколо її диска на випадкових орбітах. Навпаки вони нібито зосереджені в тонкому пласкому диску утворюючи таким чином дискову систему супутників.

Більше того, щось подібне відбувається із карликовими супутниками Чумацького Шляху. Так званий диск супутників був вперше помічений ще 4-х десятиліття тому.

Проблема в тому, що важко пояснити таку поведінку супутників не тільки моделями їх формування, а ще й у межах сучасної космології. І досі диски супутників - є суперечливою темою , та є роботи які ставлять їх існування під сумнів критикуючи методи спостереження чи інтерпретацію даних.

Вражаюче гало та поява Мілкомеди

Однак мало тих хто сумнівається у майбутньому зіткненні Чумацького Шляху та Андромеди. Хоча різні оцінки говорять у 5-6 мільярдів років, можна вважати, що злиття відбувається уже зараз.

Відомо, що навкологалактичне середовище Андромеди та Чумацького Шляху - не порожнє. Крім зоряних потоків тут також зосереджена велика кількість гарячого іонізованого газу та темної матерії. Але досі не зрозуміло наскільки далеко від диску все це прстягається.

Зоряне гало представляє собою сферичний об'єм зірок та кулястих скупчень, що розкидані навкруги. Лише близько 1% зоряної маси галактики зосереджено в цих регіонах при чому ці зорі відносно старі та холодні, саме тому гало тьмяне і його важко спостерігати.

Натомість гіганстька бульбашка розрідженого газу, яку звуть - галактичною короною взагалі майже невидима. Тим не менш у 2020 році група астрономів використовуючи телескоп Габбл змогла створити карту розподілу цього іонізованого газу. Оскільки за них важко спостерігати, то найкраще його виявити спостерігаючи за світлом, що надходить від джерел на тлі.

Приклад спостереження за галом

Досліджуючи світло 4-х десятків квазарів науковці дійшли висновку, що гало тягнеться приблизно на 1,3 млн світлових років від диска Андромеди, і це означає що воно вже на пів дороги до нашої галактики. Гало настільки величезне, що виглядало б у 3-х рази більше за ширину Великої Ведмедиці.

Як виглядала Андромеда із своїм галом, якщо б його можна було б побачити

Оскільки ми живемо в середині диску нашої галактики науковцям важко визначити наскільки далеко в космос простягається гало Чумацького Шляху. Якщо наша галактика та M31 дійсно схожі, тоді можуть мати і схожі гало. У такому разі можна сказати, що обидві галактики вже почали зіткнення між собою.

Про наслідки колізії для нас годі й уявити, навіть якщо наша галактика зможе дожити до того часу, щоб побачити появу Мілкомеди(злиття Чумацького Шляху та Андромеди) крім захвату від видовища врядчи якось на нас вплине.

Поява Мілкомеди

Не забувайте, що галактики - це майже порожній простір, а зіткнення окремих зір - малоймовірне.

Галактика, що змінила науку

2024-09-16T17:06:06.226Z

Дивлячись на галактику Андромеди, астрономи минулого вважали її частиною Чумацького Шляху, так як була усталена думка, що Чумацький Шлях - це весь Всесвіт.

Перше зображення галактики Андромеди

Але знаходилися диваки, яким ця ідея не дуже подобалася. І вони пропонували радикальне пояснення, що на зображені - інша галактика. Особливо гарячі дискусії з цього приводу точилися у 1920 році між Гарлоу Шеплі та Гербером Кертісом за долю "спіральних туманностей". Шеплі стверджував, що вони знаходяться в межах Чумацького Шляху і просто занадто малі, щоб бути чимось іншим.

Кертіс парирував це тим, що в туманності Андромеди спостерігається більше нових зірок ніж в інших ділянках Чумацького Шляху і це не може бути збігом. А ще Кертіс зауважив, що темні смуги Андромеди дуже нагадують хмари пилу у нашій галактиці. І врешті-решт молодий Едвін Габбл визначив їхню долю визначивши відстань до змінних зірок Цифеїд в межах диску Андромеди, понад 1 млн світлових років, і це звичайно зірвало овації. Так як це була найбільша відстань коли небудь виміряна, а ще це означало, що Андромеда була системою зірок цілком відокремленою від Чумацького Шляху. І з цього моменту галактика Андромеди офіційно стала галактикою.

Найближчий великий сусід Чумацького Шляху

M31(Андромеда) - велика спіральна галактика, яка дуже схожа на Чумацький Шлях, але дещо більша за розмірами. І це наша найближча сусідка в контексті нормальних галактик. Згідно сучасних оцінок відстані між Чумацьким Шляхом та Андромедою складає 2,5 млн світлових років, що насправді неподалік в масштабах де живуть галактики.

Андромеду можна спостерігати неозброєним оком, але шкода що наші очі це поганий "телескоп", тому можна тільки спостерігати найяскравішу її частину - ядро.

Зображення Андромеди без телескопа

Ця світлина від одесита Сергія Волкова(нижче) охоплює понад 2 градуси неба, і це означає, що Андромеда у телескоп виглядає більшою за Місяць і це ще не вся галактика

Галактика Андромеди в телескоп з довгою витримкою, яка охоплює 2 градуси неба

Зрозуміло, що такі структури не мають чітко окреслених меж, однак на сьогодні діаметр диска Андромеди оцінюється приблизно - 220 000 світлових років, а кількість зірок може сягати 1 трільйона. Це означає, що за розмірами Андромеда більша за Чумацький Шлях на 50%, але звісно це дуже грубі оцінки. Оскільки, важко говорити про розміри нашої галактики знаходячись посеред одного з її рукавів, але навіть це не найскладніше. Найскладніше це оціни маси таких структур, як галактики.

Як "зважити" галактику?

Якщо застосувати закон тяжіння Ньютона із законами руху планет Кеплера можна визначити масу планет чи супутників просто знаючи їхню орбітальну швидкість та відстань до об'єкта навколо, якого вони обертаються.

Але коли астрономи вперше застосували цю техніку для галактик їхні результати були дуже дивними. Візуально галактики виглядають таким чином, що більша частина їх маси має зосереджуватися поблизу ядра. Тому логічно, що зорі поблизу ядра мають рухатися швидше за своїх "родичів" на периферії, по аналогії із планетами Сонячної системи.

Але Вера Рубін та Кен Форт довели, що це припущення непрацює для Андромеди. Фактично, зорі на краю галактики рухалися майже так само швидко, як зорі поблизу центру. І маса, що зосереджена навколо центру буде просто недостатньою, щоб пояснити такий рух. Насправді швидкості зірок були настільки високими, що імпульс мав б розірвати галактику на частини.

Дослідження Рубін охопило більше 10-ні інших галактик, і в жодному з досліджень тільки підтверджувало спостереження, які спостерігалися в Андромеді, і ще доводило відомої на той момент, так званої прихованої маси, яка виявляє себе виключно гравітаційно. Сьогодні відома, як темна матерія.

Щоб врахувати цю приховану масу потрібно були інші методи дослідження:

Були спроби виміряти масу на основі динаміки руху газу в диску галактики та на його околицях.
Вимірювалися швидкість руху кулястих зоряних скупчень, що оточують Андромеду та Чумацький шлях.
Найбільш перспективним задавлося дослідження галактик супутників, кількість яких постійно зростала. Оцінюючи їх швидкість руху, можна виміряти масу навколо якої вони обертаються.

Але проблема в тому чи не кожна спроба оцінити масу галактик різними методами відрізнялися на порядки. У 2018 році нарешті дійшли згоди, що за масою ці галактики досить схожі за масою, кожна з яких приблизно 800 мільярдів Сонць.

Структура Андромеди

Галактику Андромеди класифікують, як спіральну галактику із перемичкою, так само як і Чумацький Шлях. Спіральну структуру, можна розгледіти навіть не зважаючи на те, що ми бачимо диск галактики під кутом.

Спіральна структура галактики Андромеди

Окремо виділяються області пилу, які досить чіткі в одній області, та менш чіткі в іншій(позаду галактичного ядра). Така різниця пояснюється тим, що частина галактики знаходиться позаду великої центральної області, яку називають балджем. Мільйони тьмяних зірок дещо затуляють нам огляд і смуги пилу виглядають менш виразними.

Якщо спостерігати в ультрафіолеті та інфрачервоному діапазонах, то на таких зображеннях яскраво домінуватимуть спіральні рукави.

Андромеда в ультрафіолеті

Це тому, що гарячі голубі зорі, які населяють рукави галактики випромінюють здебільшого високоенергетичні фотони в ультрафіолетовій частині спектру. А коли вони нагрівають навколишній цей газ теж випромінює, але вже у інфрачервоному спектрі.

Андромеда в інфрачервоному діапазоні

Зореутворення в M31 та криза середнього віку галактик

Найбільш яскравими всі зоряні скупчення Андромеди виглядають на зображенні телескопа SWIFT. Молоді яскраві зорі, які окреслюють величезне кільце навколо центру галактики, яке астрономи називають "Вогняним кільцем". Саме тут зосереджене основне зореутворення Андромеди.

Зображення Андромеди в ультрафіолетовому діапазоні телескопом SWIFT

Причиною чому, саме у "Вогняному кільці" зосереджене основне зореутворення Андромеди пов'язане через гравітаційну взаємодію з меншими галактиками, які є її супутниками, так як гравітаційні взаємодії можуть стискати газ, що в підсумку призводить до спалаху зореутворення.

Найбільше зореутворення в галактиці та й всій місцевій групі - це NGC 206. І тут зосереджена маса у 200 000 Сонць. Ця структура класифікується як ОB-асоціація, де мешають 300 зірок спектрального класу О та B - це гарячі блакитні та біло-блакитні гіганти.

NGC 206 - найбільше скупчення зір в Місцевій групі

В контексті зореутворення Андромеда дещо поступається нашій галактиці. Чумацький Шлях народжує від 3-5 сонячних мас на рік, тоді як M31 - 1 зорю сонячної маси на рік.

Однак в 2019 році науковці визначили, що обидві галактики вже проходять пік свого зореутворення. Порівнюючи Андромеду та Чумацький Шлях із великою кількістю галактик слоанівського огляду неба вони виявили, що паливо для зореутворення в обох представників місцевої групи поступово закінчується. Приблизно через 5 мільярдів років вони практично перестануть народжувати нові зірки, і навіть під час майбутнього їхнього злиття, що призвиде до стискання газу очікується, що спалах зореутворення буде короткочасним. Науковці дуже креативно підійшли до назви цього дослідження - криза середнього віку Чумацького Шляху та M31.

Галактичне сусідсво Чумацького Шляху

2024-09-12T18:49:03.902Z

Спіральні галактики характеризуються плоскими та тонкими дисками, але це насправді не завжди так. Іноді ми спостерігаємо, як галактичні диски чомусь викривляються. Також кожна галактика - "сусід" має вплив на більші галактики та безпосередній вплив на їх еволюцію. Чи могли карликові галактики Чумацького Шляху вплинути на утворення Землі?

Викривлення галактики ESO 510-G13

Інший вигляд викривлення галактики

Пил, що окреслює галактичний диск добре ілюструє викревлення, що має галактика.

Викревлення Чумацького Шляху

Цікаво, що Чумацький Шлях має також викревлення. Про те, що його диск викривлений вгору з одного боку та вниз з іншого науковці підозрювали давно, але підтвердити це вдалося відносно недавно.

Викревлення Чумацького Шляху

Космічний апарат GAYA протягом років відстежує крихітні рухи мільярда зірок в нашій галактиці та сусідніх. Завдяки цьому астрономи можуть створювати 3D-карти розподілу зірок та їхнього руху у просторі.

Розполід руху зірок за допомогою телескопа GAYA

На основі цих даних астрономи підтвердили викревлення диска Чумацього Шляху та зрозуміли, що деформація не є статичною, вона змінюється з часом, що астрономи називають процесією. Завдяки визначення швидкості процесії було виявлено, що деформація здійснить повний оберт навколо центру приблизно за 600-700 млн років і це значно повільніше ніж обертається сама галактика. Наприклад Сонце робить повний оберт навколо центру за 220 млн років.

Що може спричиняти подібні деформації?

Одна із причин може полягати у гравітаційній взаємодії диска Чумацього Шляху з іншими галактиками. Наприклад, карликова галактика Стрільця може створювати щось подібне. Оскільки карликова галактика Стрільця вже кілька разів проходила крізь диск Чумацького Шляху. Науковці вважають, що вона поступово поглинається Чумацьким Шляхом.

Проходження карликової галактики Стрільця крізь диск Чумацького Шляху

Одне з останніх дослідження за вересень 2023 року що гало темної матерії може бути потенційним винуватцем деформації. Якщо припустити, що воно має певний нахил, тоді цей нахил гравітаційно відображатиметься і на диску галактики. Впродовж десятиліть вважалося, що темне гало має бути приблизно сферичної форми і однаковим у всіх напрямках, але дані GAYA змусили переглянути цю ідею.

Спостереження за рухом зірок у зоряному компоненті гало, яке оточує галактику, що воно ймовірно виглядає у формі витягнутого еліпса, а не кулі. Причому це гало, ще й нахилено відносно площини нашої галактики приблизно на 25 градусів.

Вигляд зоряного гало згідно із спостережень за допомогою телескопа GAYA

Ключова ідея полягає в тому, що положення та форма зоряного гало може багато сказати про положення та форму темного гало - ореолу темної матерії навколо галактики.

Науковці провели моделювання і побачили, що якщо темне гало також буде нахилене на 25 градусів тоді форма околиць галактики дійсно буде викривленою. Моделі передбачають, що такі зіткнення можуть змусити темне гало нахилитися, яке з часом мають повернутися до нормального стану, але цей процес може тривати мільярди років. Можливо диск нашої галактики так і не встигне відновитися, оскільки на нього попереду чекає набагато більше збурення ніж від карликових галактик Чумацького Шляху.

Найближче галактичне сусідство

Чумацький Шлях має безліч карликових супутників на будь-який колір та смак. Більшість цих галактик повільно притягується гравітацією нашої галактики, а дехто вже розірваний на шматки і поглинутий гігантським диском Чумацького Шляху.

Процес поглинання карликової галактики Стрільця нашою галактикою

Найближчим сусідом Чумацького Шляху, який можна побачити неозброєним оком - це галактика Андромеди. Галактика Андромеди є більшою за Чумацький Шлях, але згідно із останніми дослідженнями за мосою ці галактики досить близькі. І знаходиться галактика Андромеди від нас на відстані 2,5 млн світлових років.

Чумацький Шлях та Андромеда - є найбільшими представниками досить численної групи галактик, яку ми сьогодні називаємо Місцевою групою. Але досить часто по за увагою залишається ще одна велика галактика, та ще й спірального типу - галактика Трикутника.

Місцева група є досить численною різної форми, маси та розмірів, які гравітаційно пов'язані між собою. Що до кількості то пошук всі мешканців місцевої групи досі триває. Труднощі з їх виявленням полягає не тільки тому, що більшість галактик Місцевої групи маленькі та тьмяні. Крім того, що галактики пов'язані гравітацією між собою(що досить важко визначити), диск нашої галактики затуляє огляд, так як ми знаходимося посеред диску Чумацького Шляху. Пил та зірки якого приховує від нас наших "сусідів", що також обтяжує пошук всіх членів Місцевої групи. Нище наведені представники Місцевої групи:

Галактика IC 1613

Галактика Фенікс

Галактика Кіля

Галактика Трикутника(M33) - є 3-ю найбільшої галактикою Місцевої групи. Її діаметр становить 60 тис світлових років (60% від діаметра Чумацького Шляху). І вона може містити близько 40 млрд зірок. Це від 2-10 разів менше ніж в Чумацькому Шляху, але це цілком типова спіральна галактика. Трикутник від нас знаходиться на відстані 2,7 млн світлових років і ближче до Андромеди ніж до нас. Ймовірно Трикутник - є супутником нашого найбільшого "сусіда".

Трикутник має чудові спіральні рукави, які свідчать про те, що галактика протягом пару мільярдів років оминала сильних гравітаційних взаємодій, але це не означає, що таких взаємодій не було раніше, або не буде в майбутньому зі своїм більшим сусідом.

Галактика Трикутника

У 2004 році астрономи знайшли потоки водню, що з'єднює трикутник з Андромедою. Їх відкриття було підтверджено в 2011 році. Тому, схоже, що галактики колись проходили дуже близько один до одного. Після чого Андромеда почала висмоктувати дорогоцінний газ із свого найближчого сусіда, який потрібний для зореутворення.

Сліди потоку водню, що з'єднює Трикутник з Андромедою

Така подія могла статися давно мільярди років тому, адже жодна з галактик не має слідів припливних руйнувань. Також в Трикутнику спостерігається активне зореутворення, при чому швидкість утворення зірок у ньому більша ніж в Андромеди приблизно у 10 разів.

Ось ця яскрава хмара - це друга найбільша зона зореутворення в Місцевій групі в цілому(зображення нижче). Вона майже в 100 разів більша за Туманність Оріона та містить 200 масивних молодих зірок.

NGC 604

Також на відміну Андромеди та Чумацього Шляху , галактика Трикутника не має надмасивної діри в своєму центрі. Отже, 3-и найбільші галактики Місцевої групи - спіральні. Але решта галактик групи не можуть похвалитися такою формою, або великими розмірами.

Карликові галактики неправильної форми мають низьку масу та не мають, конкретної геометричної форми, візуально вони виглядають як хаотичне нагромадження зірок.

Велика Магеланова Хмара

Галактика Барнарда

Найвідомішими карликовими галактиками - є Велика та Мала Магеланові хмари, які розташовуються від нас на відстані 163 000 та 206 000 світлових років. Її можна побачити виключно у Північній півкулі. Довгий час вважалося, що Магеланові хмари - є супутниками нашої галактики, але спостереження за допомогою телескопа Габбл показали, що вони рухаються занадто швидко, щоб довго знаходитися на орбіті нашої галактики.

Магеланові хмари довго вважалися нашими найближчими галактичними сусідами, але астрономи в середині 90-х років відкрили карликову еліптичну галактику Стрільця, яка знаходиться ближче.

Дивна форма Магеланових хмар пов'язана із гравітаційним впливом Чумацького Шляху натомість карликові галактики дещо спотворили диск Чумацького Шляху. Але такі взаємодії впливають не тільки на диск Чумацького Шляху. Поступово наша галактика позбавляє наших сусідів їх газу, який потрібний галактикам для народження нових зір. Що призводить до утворення "хвоста", який рухається від Магеланових хмар до нашої галактики поступово збільшуючи її масу. І ця стурктура простягається на чверть земного неба, яку до речі неможливо побачити неозброєним оком.

Магелановий потік

Незважаючи, що Магеланові хмари втрачають свій газ, нові зірки в них народжуються дуже інтенсивно. Туманність Тарантул, яку нещодавно зазнімкував Джеймс Вебб - є найбільшою та найяскравішою зоною зореутворення у Місцевій групі. Її загальна маса складає близько мільйона сонячних мас, а діаметр - 550 світлових років. Також в цій туманності знаходяться найгарячіші та наймасивніші відомі зірки. Саме тут вибухнула найяскравіша наднова, до цього щось подібне сталося аж 1604-му, коли наднова спалахнула в межах Чумацького Шляху.

Туманність Тарантул

Більшості карликовим галактикам Чумацього Шляху - є багато часу до того як вони будуть поглинуті Чумацьким Шляхом, але не всім пощастило мати так багато часу. Карликова галактика Стірльця уже тричі пірнала у диск Чумацького Шляху.

Ця гаактика має досить цікаву форму у вигляді петлі. Це пояснюється тим, що галактика уже в процесі поглинання Чумацьким Шляхом, яка при кожним наближенням Стрільця припливно розриває її на частини.

Форма галактики Стрільця та як вона "пірнає у диск Чумацького Шлязу

Під час припливного руйнування Стрільця, яка продовжує свій рух навколо Чумацького Шляху тягнуться нитки зірок утворюючи таким чином складну структуру.

Про галактику Стрільця вперше стало відомо ще у 1994 році. Її ядро знаходиться лише на відстані 50 000 світлових років від центру нашої галактики.

Знаходження ядра галактики Стрільця від центру нашої галактики

Цілком ймовірно, що Стрілець міг вплинути не тільки на диск галактики, а й на нашу зоряну систему. Згідно із останніми дослідженням всплески активного зореутворення відповідають коли карликова галактика проходила крізь диск Чумацького Шляху. Науковці вважають, що зіткнення провокували брижі в просторі-часі на той час спокійної галактики. Це призводило до збільшення щільності матерії в нашій галактиці, що в свою чергу спровокувало до збільшеної народжуваності зірок.

Згідно із дослідженнями астрономів більша частина маси Чумацького Шляху утворилася саме завдяки Стрільцю і без нього просто не існувала. І найцікавіша, що Сонячна система сформувалася в той час, коли карликова галактика вперше пірнула в диск Чумацького Шляху. Звісно важко визначити з якої причини почала руйнуватися хмара газу та пилу з якої утворилося наше Сонце, але виключати з цього причетність Стрільця виключати не можна. Тому, хто зна чи існувала наша планета, якщо б мільярди років Чумацький Шлях не притягнув чергового маленького сусіда.

Квазари та їх роль в еволюції галактик

2024-09-08T13:35:49.061Z

Надмасивні чорні діри, що приховані в ядрах галактик можуть бути серйозною загрозою для утворення нових поколінь зірок. Хоча зараз більшість цих монстрів "сплять", але так було далеко не завжди. І принаймі у ранньому Всесвіті вони діяли, як справжні руйнівники, які з радістю нищили свої батьківські галактики.

Активні галактичні ядра

Приблизно 10% всіх галактик Всесвіту - є активними. Це означає, що вони мають невелике ядро випромінювання, яке дуже яскраве і водночас дуже мінливе. Енергія, яку випромінює галактика це по суті сукупність випромінювання, яку випромінює матерія, яка знаходиться у галактиці. Але для активних галактик все трохи інакше, вони випромінюють значно більше енергії, яку астрономи фіксують на інфрачервоних, рентгенівських, рентгенівських довжинах хвиль.

Приклад фіксації активності галактик

Загально прийнято вважати, що більшість(якщо не всі) великі галактики мають надмасивну чорну діру в своєму ядрі. Тому науковці пов'язують надлишкове випромінювання саме з ними.

Коли речовина падає на чорну діру кутовий момент її змушує обертатися по спіралі і формувати диск. Цей диск, який називають акреаційним під дією гравітації обертається надзвичайно швидко, а газ через тертя нагрівається до колосальних температур.

Приклад падіння речовини на чорну діру, і як формується акреаційний диск

Саме по цій причині матерія яскраво випромінює фактично у кожному діапазоні електромагнітних хвиль. Поблизу чорної діри, що кружляє навколо неї може бути викинутої назовні. Це виглядає як струмені частинок, що вириваються з диску перпендикулярно до чорної діри і рухаються зі швидкістю близької до швидкості світла. Ці промені називають - джетами. Природа цього явища все ще вивчається, але найімовірніше струмені - є результат взаємодії величезних магнітних полів чорної діри з акреаційним диском. Такі галактики стають потужними джерелами радіохвиль.

Викидання матерії з чорної діри, у вигляді променів - джетів

Найпоширенішими типами глактик з активними ядрами є так звані сайфертівські галактики. Вони були відкриті у 1943 році Карлом Сейфертом. Хоча їх відносять до активних, такі галактики виглядають цілком звичайними за винятком яскравою зіркою по середині.

Сайфертівська галактика

З усіх активних галактик сайфертівські виділяють найменше енергії, тим не менш вони досить яскраві на всіх довжинах хвиль. Загалом такі галактики це ніби квазари на "мінімалках", які не настільки яскраві щоб не можна було побачити саму галактику.

Натомість квазари - це найпотужніший прояв активних галактик. Яскравість квазарів можуть перевищувати яскравість батьківської галактики навіть у тисячі разів.

Вчені вже ідентифікували понад 1 мільйон таких об'єктів, найближчий з яких має назву Markarian 231. Цей квазар розташований на відстані близько 600 мільйонів світлових років від нас.

Квазар Markarian 231 - найближчий квазар до нас

Однак набагато більше подібних об'єктів астрономи знаходять у більш віддаленому та старому космосі. Найвіддаленіший від нас випромінював на відстані 13 мільярдів світлових років від нас.

Відсутність неподалік настільки потужних ядер не означає, що їх ніколи не було в нашій ділянці космосу і це скоріше означає, що квазари народжувалися переважно у ранішньому Всесвіті.

Це пов'язано з тим, що молодий Всесвіт незабаром після Великого Вибуху був заповнений величезними хмарами молекулярного газу, тому надмасивні чорні діри мали багато матеріалу для поглинання.

Поглинання чорною дірою речовини, що на неї падає

Чорна діра в центрі нашої галактики Стрілець А* можливо пережила таку короткочасну активність приблизно 3,5 мільйони років тому. Вибух під назвою спалах сейферта створив два конусоподібні конуси, що вирвалися з ношої галактики.

Вибух сейферта в нашій галактиці

Група астрономів знайшла докази що цей вибух вплинув на так званий магелановий потік - смуга газу та зірок, що рухаються від магеланових хмар до Чумацького шляху. Також цей спалах пов'язують з бульбашками плазми, що здіймаються над диском нашої галактики. Які отримали назву - бульбашки Фермі.

Карта Чумацького Шляху

Бульбашки Фермі уперше виявлені у 2010 році - це хмари іонізованого газу масою кілька мільйонів Сонць і їх можна побачити тільки в діапазоні гамма-променів. Хоча їх наявність досі є предметом досліджень, але їх наявність - є найкращим проявом активності нині сплячої чорної діри в центрі нашої галактики.

Бульбашки Фермі зазнімковані гамма-телескопом Фермі

Як квазари впливають на свої галактики?

Коли чорна діра "вибухає" квазаром енергія розповсюджується не тільки перпендикулярно до диска галактики, але суттєво впливає на сам диск. Потоки заряджених частинок рухатимуться вздовж площини галактики змітаючи все на своєму шляху.

У 2020 році група науковців використовуючи телеском Габбл вирішила дослідити ці процеси у 13-х далеких квазарах. Спостерігаючи за ними в ультрафіолетовому діапазоні науковці виявили потоки газу рухалися диском галактики від ядра і назовні. Цей рух був помітний завдяки ефекту Доплера. Спектри речовини на шляху жорсткого випромінювання квазара зміщувалися у червону або блакитну частину спектру. За цими зміщення астрономи зазвичай визначають швидкість руху об'єктів відносно Землі.

Ефект Доплера в цьому дослідженні

Виявилося, що випромінювання квазара може розганяти навколишній газ у кілька відсотків до швидкості світла. При чому речовина, яку стискає хвиля випромінювання може нагріватися до мільярдів градусів. Це та речовина, яка мала стати основою для народження нових зірок. Про те квазар її буквально змітає з диску галактики у міжгалактичний простір. Найпотужніші витоки газу були зафіксовані у квазарі SDSS J1042+1646. Швидкість вітру, яку вдалося виміряти склала 69 мільйонів км/год. І це найбільша швидкість речовини коли небудь зафіксована у космосі.

Нажаль цей неймовірно гарячий та швидкий газ завдає величезної шкоди батьківській галактиці. Впродовж одного року квазар може виштовшнути в міжгалактичний простір такий який потрібний для утворення кількох сотень Сонць. То ж повільно квазари знищують свої галактики.

Втрата речовини це лише один із наслідків, що позначається на її зореутворенні. Річ у тім, що формування зірок залежить не тільки від наявності газу а і від його температури. Для зореутворення молекулярний водень має бути дуже холодний. Саме холодні хмари молекулярного газу мають можливість стискатися під дією власної сили тяжіння і в результаті утворювати нові зірки.

Якщо їх температура буде занадто високою молеули будуть рухатися занадто швидко створюючи таким чином надлишковий внутрішній тиск, що спрямований назовні. Тобто тепла хмара прагнутиме до розширення протидіючи стисканню. За таких умов внутрішній тепловий тиск може перемагати і хмара так і не сколапсує, а отже не засяє новою зіркою. Очевидно, що квазари вивільняючи велику кількість радіації здатні суттєво нагрівати хмари газу і це має остаточно пригнічувати будь яке зореутворення.

Втім є і інший бік цієї історії адже вітер із заряджених частинок, що рухається диском галактики має також стискати хмари газу, що навпаки сприятиме зореутворенню. Власне наша Сонячна система народилася із хмари газу та пилу, яка спочатку була в гідростатичній рівновазі, але завдяки початковому збуренні, наприклад вибуху наднової неподалік вона почала стискатися і в підсумку народилося наше Сонце. Тому можливо вплив квазарів на галактики може бути не тільки деструктивним, а навпаки можуть сприяти зореутворенню.

Квазар, що впливає на сусідні галактики

Деякі ядра активних галактик можуть впливати на найближче галактичне сусідство. Наприклад, у 2011 році за допомогою рентгенівської обсерваторії Chandra астрономи побачили як активне галактичне ядро спровокувало спалах зореутворення не в батьківській галактиці, а в галактиках навколо неї. Ця група галактик знаходиться на відстані 10 мільярдів світлових років від нас. Маса чорної діри активної галактики 30 мільйонів сонячних мас - це середня маса надмасивних чорних дір. Астрономи зафіксували цей спалах, що знаходиться від активної галактики на відстані менше 1,5 мільйонів світлових років. Таким чином цей місцей кластер менший ніж наша місцева група галактик.

Провокування зореутворення в сусідніх галактиках

Основну увагу астрономів привернуло те, що ці галактики дуже блакитні, що свідчить про значні темпи утворення нових зір. На основі їхньої яскравості астрономи підрахували, що швидкість зореутворення може сягати від 8-60 сонячних мас на рік, що в кілька разів інтенсивніше ніж у межах Чумацького Шляху.

За допомогою Chandra астрономи побачили струмені речовини з центру активної галактики на відстань більше 1 мільйона світлових років. Потужні промені квазара зупиняється в міжгалактичному просторі що оточує галактики. Там вони створюють величезні ударні хвилі та іноді нагрівають цей матеріал до мільйона градусів.

Як струмені від активної галактики створюють ударні хвилі в сусідніх галактиках

4-и найбільш яскраві галактики(на фото вище) знаходяться на межі ударної хвилі, тому астрономи приходять до висновку, що все це пов'язано. Ударна хвиля проривається в ці галактики і стискає в них холодні хмари молекулярного водню, що призводить до спалаху зореутворення.

Раніше астрономи вже спостерігали, як стурмені квазарів вражали інші галактики, але вперше вони побачили, як така подія впливала на те, що відбувається в середині галактик, які вони вражали, зокрема на народження нових зірок.

Знімок за допомогою Chandra у радіо та видимій частині спектра

Всесвіт галактик

2024-09-06T18:53:40.380Z

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

Галактика Андромеди

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.

Приклад галактики, коли вона звернута до нас ребром

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

Спіральні рукави та балдж(в центрі) на прикладі галактики Чумацький Шлях

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.

Диск та Гало галактики Чумацький Шлях

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.

Зіткнення галактик

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.

Так виглядали спіральні галактики, якщо б їх утворення залежало тільки від різниці швидкості зір що біля центру галактики та зір на переферії

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.

Обертання хмари під час утворення галактики

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.

Утворення диску галактики

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.

Обертання спіральних рукавів навколо центру галактики

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.

Утворення рукавів завдяки хвилям щільності

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.

Зміщення орбіт зірок

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.

Зірки із темної енергії - реальність чи фантастика?

2024-09-01T11:23:19.516Z

Вдивляючись у мерехтливі зірки в нічному небі астрономи минулого наврядчи уявляли собі, що у космосі є зірки чайна ложка речовини, яких буде важча за цілу гору, або що існують об'єкти настільки компактні, що ніщо не може уникнути їхньої гравітації. Так це досі звучить круто, але сьогодні це вже - реальність. Але навряд хтось вам скаже, що ми вже бачили все і космос більше нічим нас не здивує. Насправді наші теорії світовлаштування не заперечують існування об'єктів, які можуть здатися занадто фантастичними, щоб бути реальними. Тим не менш в деяких дослідженнях науковці про них згадують, адже інколи важко пояснити спостереження відомими властивостями зірок, чорних дір чи планет.

Схематичне зображення бозонної зірки - один із типів екзотичних зірок

Що таке бозонна зоря?

В межах одного з нових досліджень астрономи пропонують нам об'єкт, який на їхню думку цілком може виявитися бозонною зіркою. Боззонні зірки складаються не з атомів нормальної речовини, а з частинок темної матерії.

Для початку потрібно сказати про космічний телескоп, який був створений для досить амбітної місії (GAYA) огляд зірок нашої галактики шляхом вимірювання радіальних швидкостей зірок, що дає змогу розуміти куди рухаються зірки нашої галактики.

В процесі дослідження за допомогою даного телескопа астрономи звернули увагу на зірку, яка поводилася досить дивно. Сама зірка типова і навіть дуже схожа на Сонце - має 93% його маси та майже ідентичний хімічний склад. Але рухалася вона таким чином ніби оберталася навколо темного компаньйона. Маса якого трохи менше - 10 Сонць на відстані 1,4 строномічних одиниць(астрономічна одиниця - відстань від Землі до Сонця).

Багато хто скаже, що тут не має нічого дивного , так як характер її обертання цілком пояснюється наявністю чорної діри, адже такі системи вже відкривали раніше. Якщо це дійсно чорна діра, тоді темний компаньйон - є найближчою чорною дірою до нас. Даний об'єкт розташований на відстані 1600 світлових років.

Дослідження та можливі сценарії такої поведінки системи

Однак в новому дослідженні опублікованому в квітні минулого року астрономи вирішили дослідити іншу ідею. Річ у тім, що з точки зору орбітальних характеристик система здається не викликає запитань, темний об'єкт легко пояснюється, як чорна діра. Але як могла сформуватися така система?

Як пише один із дослідників Олександр Помбо з інституту чеської академії наук через те, що утворення чорної діри це досить драматична подія, яка супроводжується вибухом масивної зорі видається дивним як зірка компаньйон змогла пережити таку подію. Також перед самим вибухом масивна зоря розширюється до червоного гіганта і по суті поглинути свого меншого компаньйона.

Звісно можна припустити, що чорна діра захопила свого сусіда гравітаційно, однак орбіта зірки проходить занадто далеко до чорної діри, щоб цей сценарій вважати робочим, так як для гравітаційного захоплення чорна діра та зірка мали наблизитися ближче ніж знаходяться зараз.

Інша можливість полягає в тому, що спочатку жовтий карлик був частиною подвійної системи, а чорна діра могла змінити одну зірок в системі шляхом гравітаційних взаємодій, але всі ці пояснення виглядають малоймовірними.

Тому астрономи пропонують розглянути інший варіант структури відкритої системи. Незважаючи, що чорні діри - є об'єктами добре відомими і астрономи встигли їх виявити як прямими так і не прямими методами все ще можуть існувати інші об'єкти, які можуть імітувати поведінку чорних дір. І найкраще на цю роль підходять бозонні зірки.

Бозонні зірки це чергове передбачення теорії відносності і можливо - є найдивнішим її передбачень.

Що таке стандартна модель?

Наявність слово зірка не означає, що вони мають щось спільне із звичайними зорями окрім форми. Це по суті куля із стиснутих елементарних частинок, які називають бозонами

Згідно із стандартною моделлю, яка найкраще описує мікросвіт поділяє всі частинки на дві великі групи - ферміони та бозони.

Стандартна модель

Ферміони - це будівельні блоки звичайної матерії, вони утворюють атоми, планети, зорі та галактики. Ферміони також мають свою класифікацію поділяються на кварки та лептони(зліва в таблиці). Кварки - складові протонів та нейтронів, які в свою чергу є частиною ядра атома. А лептони - також входять в склад атомів. Найвідоміший з їх представників - електрон.

Тобто з ферміонів складається вся нормальна матерія, але бозони це дещо інше - це частинки сили. Вони підтримують зв'язок між ферміонами і контролюють взаємодію фізичних сил. Тобто саме вони зв'язкують і відштовхують матерію.

Як глюон, який є бозоном підтримує зв'язок між кварками у ядрі атома

Найвідоміший бозон - фотон, саме вони передають електромагнітну силу. Знаменитий бозон Хіггса пояснює чому все у Всесвіті має масу. І також теоретично має існувати бозон відповідальний за гравітацію, але його ще ніхто не бачив і чи він існує питання відкрите.

Яких "правил" дотримуються ферміони та бозони?

Варто розуміти що ферміони та бозони не дотримуються однакових правил. Основною властивістю ферміонів - є те, що на них розповсюджується принцип Паулі. Це означає, що два ферміони не можуть займати один квантовий стан. Наприклад, у атомі електрони не можуть займати один і той самий енергетичний рівень навіть коли гравітація намагається їх стиснути вони не можуть бути стиснуті настільки, щоб займати однакові орбіти, або протони та нейтрони не можуть перекривати один одного. Цей феномен називається - тиском виродження. І саме він отримує білі карлики та нейтронні зорі від гравітаційного колапсу. Така властивість дозволяє їм утворювати структури і будувати практично все, що ми бачимо.

Бозони на відміну від ферміонів можуть спокійно займати один квантовий стан. Вони поводяться як хвилі, які можуть легко накладатися одна на одну утворюючи більшу хвилю.

Приклад поведінки бозонів

Також бозони можуть утворювати колективні стани і групуючись разом мати спільні властивості, як одна суперчастинка чи суперхвиля. Наприклад, фотони які є бозонами можуть формувати лазерний промінь. Це відбувається, тому що велика кількість фотонів займає один квантовий стан, що дозволяє їм працювати спільно та синхронно.

Але насправді круті речі відбуваються коли бозони охолоджують до найнижчих температур. Це вдалося зробит у 1995 році коли група фізиків в лабораторних умовах успішно охолодили набір атомів рубідію-87. Цей ізотоп рубідію поводить себе як бозон. Температура, яку вдалося відтворити склала лише 170 наноКельвінів.

За таких умов частинки опускаються до стану найнижчої енергії та рухаються. дуже повільно і в цей момент атоми стають ідентичними з фізичної точки зору, тобто вони перетворюються в єдину хмару суперчастинок, яка працює за власними правилами. Таку хмару називають конденсатом Бозе-Анштайна.

Конденсат Бозе-Анштайна - стан коли бозони охолоджують до найнижчих температур

Цей стан часто називають 5-м станом речовини і поводить вона себе дуже дивно. Саме їх відкриття призвело до розширення розуміння законів фізики та відкриття цікавих фізичних явищ таких як надтекучості та надпровідності.

Який бозон - є головним кандидатом на складову темної матерії?

Важливо розуміти, що бозони скрізь і вони мали населяти ранній Всесвіт. Таким чином це дозволяло формувати великі бозе-конденсати. Звісно гравітація без проблем стиснула велику кількість бозонів у чорну діру, так як для формування стабільних структур, якась сила має протидіяти гравітації. Але вважається що ми ще не відкрили всіх типів бозонів.

Велику увагу вчені приділяють гіпотетичній частинці під назвою - аксіон. Яка є головним кандидатом на складову темної матерії. У сучасній фізиці з темною матерією більше запитань ніж відповідей, але її гравітаційний вплив на звичайну матерію не викликає сумнівів. Відкриття аксіонів беззаперечно стало проривом у розумінні Всесвіту. Тому її шукають скрізь.

Аксіони можуть мати властивість відштовхуватися і протистояти об'єднанню навіть під тиском гравітації. Тож об'єднуючись аксіони можуть утворювати гравітаційно стабільні об'єкти. Вони будуть протидіяти гравітаційному колапсу та при цьому будуть досить масивними та компактними, так само як білі карлики та нейтронні зорі. Тому аксіон - є гіпотетичною складовою бозонної зірки, так на разі все це звучить занадто гіпотетично.

Які властивості матимуть бозонні зірки?

Згідно із останніми дослідженнями бозонні зірки будуть мати багато спільних рис із чорними дірами і тому було б непогано зрозуміти, яким чином їх відрізняти, якщо раптом астрономам раптом їх відкрити.

На відміну від звичайних зірок не синтезуватимуть хімічні елементи і не випромінюватимуть нічого. Оскільки темна матерія не взаємодіє з іншою матерією бозонні зірки проявлятимуть себе виключно гравітаційно.

На відміну від чорних дір мають бути прозорими адже в них не має поглинаючої поверхні, яка б зупиняла фотони та не матимуть горизонту подій, але через свою масу все ж таки викривлятимуть часопростір, отже заставлятимуть фотони викривлятися від прямолінійного руху.

З іншого боку вони будуть досить компактними та масивними, щоб поглинати навколишню речовина так само як це роблять чорні діри. А ще деякі бозонні зірки можуть бути оточені кільцем плазми, що нагадує акреаційний диск чорної діри. Крім того внаслідок гравітаційного лінзування бозонна зірка з плазмовим тором матиме темну область, що дуже нагадуватиме тінь чорної діри.

Бозонна зірка з плазмовим тором

Моделювання як виглядатимуть бозонні зірки і чи ми зомжемо їх відрізнити від чорних дір?

Тому у вересні 2020 року група астрофізиків спробувала змоделювати, як саме виглядатимуть плазмові диски навколо двох типів об'єктів і чи матимуть вони, якісь відмінності. В процесі моделюванні вони виявлили що плазмовий тор та чорна область мають бути меншою ніж у чорної діри. Також це пояснюється відсутністю в бозонних зір горизонту подій.

Порівняльні зображення плазмового тора та темної області чорної діри та бозонної зірки у даному дослідженні

На цих модельованих зображеннях можна побачити відмінності у вигляді чорної діри та бозонної зірки.

Змодельвані зображення чорної діри та боззонної зірки

У зв'язку з цим постає логічне питання: чи не можуть чорні діри, які ми знаходили раніше бути бозонними зірками?

В контексті цього було перевірено зображення чорної діри в галактиці M87 і дійшли висновку, що тінь є завелика, щоб вважати об'єкт бозонною зіркою. Тому принаймі цей об'єкт - чорною дірою.

Чорна діра в центрі галактики M87

Астрономи на всяк випадок змоделювали як виглядатиме зображення бозонної зірки від телескопу горизонту подій, який власне і зазнімкував вперше тінь чорної діри. Це було зроблено для того, щоб перевірити чи телескоп зоже розрізнити чорну діру від бозонної зірки і виявлилося - так зможе.

Зображення змодельованої бозонної зірки телескопу горизонту подій

Моделі можуть бути корисними для майбутніх спостережень і астрономи зможуть зрозуміти, що насправді бачать вдивляючись в акреаційні диски, які здебільшого асоціюють з чорними дірами.

Чи можна виявити бозонні зірки за допомогою гравітаційних хвиль?

Якщо бозонні зірки можуть бути масивними та компактними та легко імітують чорні діри, то чи не можна їх виявити за допомогою гравітаційних хвиль.

Гравітаційні хвилі які створюють масивні об'єкти які обертаються близько один до одного

Деякі сигнали гравітаційних хвиль виглядають досить дивно, що бути ознаками чорних дір. Гравітаційні хвилі одне із передбачень теорії відносності, яке було підтвердження. Цей процес відбувається при зіткненні масивних об'єктів накшталт нейтронних зір, нейтронної зорі та чорної або двох чорних дір, які можна зафіксувати.

На сьогодні астрономія гравітаційних хвиль може визначити місце зіткнення а також розмір, масу та природу об'єктів, що зіткнулися.

У 2021 році група науковців провела дослідження в межах якого спробувала пояснити дивну поведінку гравітаційних хвиль під час події GW190521.

Спочатку вважалося, що сигнал це злиття двох чорних дір середньої маси, але гравітаційні хвилі виглядали нетипово. Зокрема перед самим злиттям хвилі не проходили інспіральну фазу. Річ у тім, що при наближенні один до одного орбітальна швидкість об'єктів збільшується, що призводить до того що збільшується частота інтенсивності гравітаційних хвиль. Це звична картина для зіткнення таких об'єктів

Збільшення інтенсивності гравітаційних хвиль

Але проблема що дане зіткнення майже не містить інспіральної фази.

Наявність незначної інспіральної фази, що є нетиповим

Науковці вирішили змоделювати, як будуть поводитися гравітаційні хвилі при зіткненні двох бозонних зірок і виявилося, що моделі досить добре узгоджуються із спостереженнями. Можливо вчені змогли вперше "доторкнутися" до злиття бозонних зірок, але самі науковці кажуть що їхнє моделювання виглядає лише трохи краще за моделі злиття нейтронних зір або чорних дір.

Невідомо чи існують вони в реальності чи тільки на папері у вигляді математичних рівнянь особливо зважаючи на те, що ідея бозонної зірки заснована на гіпотетичному виді бозонів - аксіон. Але спостерігаючи, яку увагу науковці приділяють екзотичним об'єктам думаю було доцільно розповісти принаймі про одного з них.

Циклічний Всесвіт

2024-08-18T08:17:26.600Z

Дуже багато спроб чимось замінити Великий Вибух закінчувалося циклічним Всесвітом. Де Великий Вибух - є ланкою нескінченного ланцюга Великих Вибухів. По суті циклічні моделі представляють собою вічний Всесвіт, але з більшою кілікістю кроків. Можливо одну із найцікавічних циклічних моделей запропонував Роджер Пенроуз, який у 2020 році отримав Нобелівську премію за математичне обгрунтування існування чорних дір.

Його модель під назвою комфорна циклічна космологія була запропонована ним та його колегами у науковій статті від 2010 року, а також стала основою для його книги "Цикли часу".

Схематичне зображення Всесвіта Пенроуза

Огляд комформної моделі Всесвіту

Згідно з моделю Пенроуза ми живемо у Всесвіті, який є лише одним із етапів потенційно нескінченному циклі помирання та народження нового Всесвіту. Та перш ніж перейти до огляду самої моделі потрібно зазначити, що комформна космологія це дуже суперечлива тема і часто сприймається як маргінальна концепція. Вона суттєво розходиться із загально прийнятими науковими уявленнями.

Частково це пояснюється тим, що теорія Пенроуза грунтується на деяких слабких місцях теорії Великого Вибуху. Зокрема вона взагалі не узгоджується із моделлю космічної інфляції. Відповідно до стандартної космології Всесвіт зазнав дуже короткочасного але надзвичайного розширення одразу після Великого Вибуху.

Проте не всім подобається теорія інфляції і зокрема Пенроуз хоч і вважає її елегантною, але водночас називає вкрай штучною та малоймовірною, тому він та його однодумці пропонують нам модель без інфляції, а також без початкової сингулярності. Їхній Всесвіт це безкінечні цикли з утворення та руйнування, але при цьому навіть без етапу стискання, як зазвичай уявляють циклічний Всесвіт.

Тобто ця теорія непередбачає зупинення Всесвіту із подальшим його стисканням і так званим "відскоком". Натомість циклічна модель це скоріше коливальна трансформація Всесвіту з одного стану в інший. Звісно це виглядає досить фантастично, адже з якого дива масштаби космосу повинні радикально змінюватися у певні моменти часу.

Щоб збагнути як це виглядає автори циклічного Всесвіту пропонують нам уявити перебіг подій через гугол років. В цей період Всесвіт ймовірно буде населений лише чорними дірами, які поступово зливатимуться між собою і які уже поглинули цілі скупчення галактик та зібрали всю матерію космосу у своїх темних надрах.

Вигляд всесвіту через гугол років

Важливо що Пенроуз є прихильником Стівена Хокінга про випромінювання чорних дір, згідно з якою ці масивні об'єкти дуже повільно втрачають свою масу через квантові ефекти на межі горизонту подій. Тому вважається, що чорні діри можуть випромінювати енергію у вигляді фотонів.

Випромінювання Хокінга у вигляді (здебільшого) фотонів

Тому, згідно гіпотези Хокінга навіть чорні діри не можна назвати вічними, адже випромінюючи енергію вони втрачають масу. Адже у Всесвіті настане момент коли останні будуть "випаровуватися" поки не залишиться жодної.
Те що зараз називають випромінювання Хокінга повинно складатися із частинок, які не мають маси таких як фотони.

Як циклічна модель Пенроуза узгоджується із спеціальною теорією відносності?

Пенроуз вважає що всі об'єкти, які мали масу такі як зорі врешті-решт почне покидати межі чорної діри але уже у вигляді електромагнітного випромінювання. Відповідно, що вся маса, яка заповнювала космос буде перетворена у безмасові частинки. У Всесвіті, в якому випарується остання чорна діра буде заповнене випромінювання, а отже поняття маси більше не існуватиме і не матиме сенсу.

Також згідно циклічного Всесвіту у космосі в якому не має маси також не може бути таких понять як відстань і час. Ця на перший погляд дуже гучна та радикальна думка насправді узгоджується із спеціальною теорією відносності Ейнштейна.

Річ у тім, що всі частинки, які не мають маси рухаються із швидкістю світла, але згідно теорії відносності будь які об'єкти , що рухаються близькою до швидкості світла відчувають сповільнення часу.

Іншими словами чим більше ви наближаєтеся до швидкості світла тим повільніше для вас буде текти час. Наприклад, одна секунда для вас може бути одним роком на Землі. Але об'єкти із масою ніколи не зможуть досягти швидкості світла так як для цього їх потрібно надати нескінченну кількість енергії - що також випливає із спеціальної теорії відносності.

Проте фотони це зовсім інша річ так як вони маси не мають та рухаються саме зі швидкістю світла, отже для них час не просто сповільнюється а взагалі зупиняється, його не існує. Тепер якщо всі об'єкти, які не рухаються зі швидкістю світла розпалися або випарувалися у фотони виходить, що не має іншої системи відліку крім них. Тоді з цієї точки зору відстань також не має ніякого значення.

Одже згідно з гіпотезою Пенроуза Всесвіт з безмасових частинок можна трактувати, як Всесвіт де не існує простору, відстані та часу. Такий Всесвіт ніби знаходиться в режимі "паузи", або до моменту Великого Вибуху ніби в очікуванні еволюції наступного Всесвіту. І саме цей момент в моделі Пенроуза є межею між кінцем одного Всесвіту та початком нового Всесвіту.

Коли єдиною системою відліку - є фотон то простір, час, відстань не мають значення адже по суті фотони знаходяться всюди та одночасно. Таким чином цей Всесвіт не можна було б відрізнити від самого раннього моменту Великого Вибуху в якому фотони також були всюди та одночасно. І це розглядають, як чудова альтернатива, що називають космологічною сингулярністю. А далі згідно з гіпотезую відбувається новий Великий Вибух - і все починається знову.

Звісно як насправді це може виглядати навіть сам науковець не може уявити, та як взагалі між собою можна "склеїти" один з яких нескінченно великий а інший нескінченно малий? Та чому повинен відбуватися новий Великий Вибух? Всі ці питання є досі актуальними для комформної моделі Всесвіту. Навіть сам науковець називає все це лише як математичним трюком, але він серйозно ставиться, що його концепція може відображати реальний Всесвіт, а отже на межі Всесвітів відстані не мають значення. Доречі періоди коли "його" Всесвіти еволюцінують між народженням та смертю Пенроуз називає еонами.

Еон у моделі Пенроуза

Дослідження та спостереження, які були зроблені для підтвердження моделі Пенроуза

Пенроуз не виключає того, що випромінювання з одного еону може потрапляти через комформний кордон в інший еон. Тобто будь який фотон з попереднього Всесвіту може потрапити в наступний. І таким чином сліди минулого Всесвіту, якщо концепція вірна можна виявити прямо зараз.

Якщо шукати фотони з попереднього Всесвіту спершу потрібно дослідити те, що ми вважаємо першим світлом нашого Всесвіту - реліктове випромінювання.

У 2010 році Роджер Пенроуз разом із своїм колегою Ваге Гурзадяном заявили, що знайшли докази на підтримку своєї моделі у вигляді кілець однорідної температури на зображенні реліктового випромінювання. Згідно їхньою моделею ці кільця є результатом зіткнення чорним дір у минулому еоні.

Гравітаційні хвилі при зіткненні та злитті чорних дір

Гравітаційні хвилі це брижі у просторі-часі, які виникають у наслідок зіткнення масивних об'єктів такі як чорні діри чи нейтронні зорі. Пенроуз вважає, що результат таких зіткнень у минулому еоні можна знайти у теперішньому у вигляді кілець однорідної температури. Інші групи вчених, що вивчають реліктове випромінювання підтвердили, що симуляції дійсно містять кільця, але їх цілком можна пояснити інфляційною моделлю.

Незважаючи на це Пенроуз опублікував нові докази на користь своєї моделі. Він та його однодумці виявили плями на реліктовому випромінюванні, які набагато гарячіші за навколишні регіони.

Ідея полягає в тому, що ці гарячі плями можуть виникати через електромагнітне випромінювання під час випаровування чорних дір у минулому еоні. Тобто ці плями, які прихильники комформної моделі називають крапками Хокінга - є слідами чорних дір минулого еону, які колись випромінювали свою енергію в космос.

Проте і цього разу дослідження Пенроуза не знайшли підтримки серед більшості науковців, а дані на які він грунтується мають великі шанси бути статистичною помилкою. До того ж науковці десятки років досліджують реліктове випромінювання і не знаходили особливого гарячих плям на ньому. Також модель Пенроуза залежить від справедливості гіпотези Хокінга, але ми поки що не можемо її перевірити. Адже найближча чорна діра знаходиться від нас на відстані 1000 світлових років.

Також ця модель залежить від конкретної інтерпретації теорії відносності. Тому навіть сам Пенроуз не виключає, що його теорія неправильна, але вона варта того, щоб її розглядати.