Що таке галактика? Скільки їх у Всесвіті?

Галактика – це величезна колекція газу, пилу та мільярдів зірок та їх сонячних систем, що утримуються разом гравітацією.

Ми живемо на планеті під назвою Земля, яка є частиною нашої Сонячної системи. Але де наша Сонячна система? Це лише невелика частина галактики Чумацький Шлях.

Галактика величезна колекція газу, пилу і мільярдів зірок і їх сонячних систем. Галактика утримується силою тяжіння. Наша галактика, Чумацький Шлях, також має надмасивну чорну діру посередині.

Галактика Чумацький Шлях

Дивлячись на зірки на нічному небі, ви бачите інші зірки на Чумацькому Шляху. Якщо по-справжньому темно, далеко від вогнів міст та будинків, ви навіть можете побачити пилові смуги Чумацького Шляху, що тягнуться небом.

Скільки існує галактик?

Однак існує багато галактик, крім нашої. Їх так багато, ми навіть не можемо їх усіх порахувати!

Космічний телескоп “Хаббл” протягом 12 днів дивився на невелику ділянку космосу і виявив 10 000 галактик усіх розмірів, форм і кольорів.

Деякі вчені вважають, що у Всесвіті може бути до ста мільярдів галактик.

Які бувають галактики?

Деякі галактики мають спіралеподібну форму, як наша.

Інші галактики мають гладку та овальну форму. Їх називають еліптичними галактиками.

А також є галактики, які не є спіралями чи овалами. Вони мають неправильну форму і схожі на краплі. Світло, яке ми бачимо від кожної з цих галактик, походить від зірок всередині неї.

Іноді галактики наближаються і вбиваються одна в одну.

Наша галактика Чумацький Шлях колись наткнеться на Андромеду, нашого найближчого галактичного сусіда.

Але не хвилюйтеся. Це ще не відбудеться найближчі п’ять мільярдів років. Але навіть якщо це б сталося завтра, ви можете цього не помітити. Галактики настільки великі і розкинуті на кінцях, що, хоча галактики і врізаються одна в одну, планети і Сонячні системи часто не наближаються до зіткнення.

Види галактик [типи, класифікація]

Світ галактик представляє нам неймовірне розмаїття індивідуальних форм. Незважаючи на це, можна виділити кілька основних типів галактик. Найбільш відома і загальновживаним класифікація галактик була запропонована Е. Хабблом і доопрацьована Ж. Вокулера і А. Сендідж.

Тип галактики не пов’язаний з її еволюцією, тобто галактика одного типу в процесі еволюції не може перетворитися в галактику іншого типу. Різниця в спіральних і еліптичних галактиках закладено з моменту утворення і, мабуть, пояснюється обертанням. Спіральні обертаються швидко, еліптичні – повільно або взагалі не обертаються. Чим зумовлена ​​поява неправильних галактик, поки неясно.

Спіральні галактики

Більше половини всіх відомих галактик відноситься до типу спіральних (S). Всі вони відрізняються вираженим ядром і відходять від нього спіральними гілками, які аналогічні спіральним гілкам нашої Галактики. У них багато газу і пилу, відбувається процес зореутворення, про що говорить велика кількість білих і блакитних надгігантів, зосереджених в гілках.

Серед спіральних галактик зустрічаються гіганти (Галактика, туманність Андромеди), маси яких досягають 1012 M☉, і карлики масами близько 108 M☉, світності їх лежать в межах від тисячі тридцять чотири до 1037 Вт.

З перемичкою (пересічені)

Існує два типи спіральних галактик: звичайні і пересічені. Відрізняються вони місцем, де починаються спіралі. У звичайних галактиках вони починаються безпосередньо у ядра. У пересічених галактиках початок спіралей знаходиться на кінцях дивного утворення, званого перемичкою (баром). Тому пересічені спіралі часто називаються «барретспіралі». Чим викликані ці відмінності, не цілком ясно. Існує гіпотеза, що це одна з ранніх стадій розвитку спіральних галактик, що підтверджується деякими розрахунками.

Еліптичні галактики

Близько третини галактик відноситься до типу еліптичних (цей тип галактик позначається буквою E з додаванням цифр, які показують стиснення, 0-7). Така галактика бачиться кружком або овалом без вираженої внутрішньої структури з невеликим збільшенням яскравості до центру. В еліптичних галактиках немає пилу і газу, а найяскравіші зірки – червоні гіганти.

Серед еліптичних галактик зустрічаються надгіганти масами до 1012 M☉ і світності до 1 038 Вт і карлики масами 108 M☉ і світності до 1031 Вт.

Неправильні галактики

Всі інші галактики відносяться до неправильних. У цих галактиках багато пилу і газу, триває процес зореутворення. Маси і світності у них, як у карликових спіральних і еліптичних галактик.

Взаємодіючі галактики

До неправильним відносяться і взаємодіючі галактики. Це дві близько розташовані галактики, форми яких спотворені приливними силами (рис. 78). В окремих випадках можна припускати, що відбувається зіткнення або злиття галактик. Так у галактики М51, на кінці спіральної гілки висить ще одна галактика. Не виключено, що спостерігається поглинання меншої галактики більшої. Як часто здійснюється такий процес не відомо, але не виключено, що в ті часи, коли утворювалися галактики, цей процес відігравав важливу роль.

28.5: Формування та еволюція галактик та структури у Всесвіті

Як і в більшості галузей природничих наук, астрономи та космологи завжди хочуть знати відповідь на питання: «Як це сталося так?» Що змусило галактики та скупчення галактик, суперскупчення, порожнечі та нитки виглядати так, як вони роблять? Існування таких великих ниток галактик і порожнеч – цікава головоломка, оскільки ми маємо докази (про які підлягають обговоренню в «Великому вибуху»), що Всесвіт був надзвичайно гладким навіть через кілька сотень тисяч років після формування. Завдання для теоретиків полягає в тому, щоб зрозуміти, як майже безликий Всесвіт перетворився на складний і кусковий, який ми бачимо сьогодні. Озброївшись нашими спостереженнями та сучасним розумінням еволюції галактик у космічному часі, темній матерії та великомасштабній структурі, ми тепер готові спробувати відповісти на це питання в деяких з найбільших масштабів у Всесвіті. Як ми побачимо, коротка відповідь на те, як Всесвіт потрапив таким чином, – «темна матерія + гравітація + час».

Як формуються і ростуть галактики

Ми вже бачили, що галактики були більш численними, але меншими, синішими та грубими, у далекому минулому, ніж сьогодні, і що злиття галактик відіграють значну роль у їх еволюції. У той же час ми спостерігали квазари та галактики, які випромінювали своє світло, коли Всесвіту було менше мільярда років, тому ми знаємо, що великі ущільнення матерії почали утворюватися принаймні так рано. Ми також бачили в Активних Галактиках, Квазарах і Надмасивних Чорних Дірах, що багато квазарів знаходяться в центрах еліптичних галактик. Це означає, що деякі з перших великих концентрацій речовини, мабуть, еволюціонували в еліптичні галактики, які ми бачимо у сучасному Всесвіті. Здається ймовірним, що надмасивні чорні діри в центрах галактик і сферичний розподіл звичайної матерії навколо них утворюються одночасно і через пов’язані фізичні процеси.

Драматичне підтвердження цієї картини надійшло лише в останнє десятиліття, коли астрономи виявили цікавий емпіричний зв’язок: як ми бачили в Активних Галактиках, Квазарах і Надмасивних Чорних Дірах, чим масивніша галактика, тим масивніше її центральна чорна діра. Якось чорна діра і галактика «знають» досить один про одного, щоб відповідати своїм темпам зростання.

Існували два основні типи моделей формування галактик, щоб пояснити всі ці спостереження. Перша стверджує, що масивні еліптичні галактики утворилися в єдиному, стрімкому колапсі газу і темної матерії, під час якого практично весь газ був швидко перетворений в зірки. Після цього галактики змінювалися лише повільно, коли зірки еволюціонували. Це те, що астрономи називають сценарієм «зверху вниз».

Друга модель передбачає, що сьогоднішні гігантські еліптики були сформовані здебільшого через злиття менших галактик, які вже перетворили принаймні частину свого газу на зірки – сценарій «знизу вгору». Іншими словами, астрономи обговорювали, чи утворювали гігантські еліптики більшу частину своїх зірок у великій галактиці, яку ми бачимо сьогодні, або в окремих малих галактиках, які згодом злилися.

Оскільки ми бачимо деякі світяться квазари, коли Всесвіту було менше мільярда років, цілком ймовірно, що принаймні деякі гігантські еліптики почали свою еволюцію дуже рано через крах однієї хмари. Однак найкращі докази також показують, що зрілі гігантські еліптичні галактики, подібні до тих, які ми бачимо поблизу, були рідкісними до того, як Всесвіту було близько 6 мільярдів років, і що вони сьогодні набагато частіше, ніж були, коли Всесвіт був молодим. Спостереження також показують, що більша частина газу в еліптичних галактиках була перетворена на зірки до того часу, коли Всесвіту було близько 3 мільярдів років, тому, схоже, еліптичні галактики не сформували багато нових зірок з тих пір. Часто кажуть, що вони «червоні і мертві» – тобто вони здебільшого містять старі, прохолодні, червоні зірки, і відбувається мало або зовсім не відбувається.

Ці спостереження (якщо розглядати разом) припускають, що гігантські еліптичні галактики, які ми бачимо поблизу, утворилися з комбінації механізмів як зверху вниз, так і знизу вгору, причому наймасивніші галактики утворюються в найщільніших скупченнях, де обидва процеси відбувалися дуже рано і швидко в історії Всесвіт.

Ситуація зі спіральними галактиками, мабуть, дуже інша. Випуклості цих галактик утворилися рано, як еліптичні галактики (рис. \(\PageIndex\) ). Однак диски, що утворилися пізніше (пам’ятайте, що зірки в диску Чумацького Шляху молодші зірок в опуклості і ореолі) і все ще містять газ і пил. Однак швидкість утворення зірок в спіралі сьогодні приблизно в десять разів нижче, ніж була 8 мільярдів років тому. Кількість зірок, що утворюються, падає в міру витрачання газу. Таким чином, спіралі, здається, утворюються в основному «знизу вгору», але протягом більш тривалого часу, ніж еліптики, і більш складним способом, принаймні з двома різними фазами.

Малюнок \(\PageIndex\) зростання спіральних опуклостей. Ядерні опуклості деяких спіральних галактик утворилися через крах єдиного протогалактичного хмари (верхнього ряду). Інші зростали з часом через злиття з іншими меншими галактиками (нижній ряд).

Хаббл спочатку думав, що еліптичні галактики були молодими і врешті-решт перетвориться на спіралі, ідея, яку ми зараз знаємо, не відповідає дійсності. Насправді, як ми бачили вище, швидше за все навпаки: дві спіралі, які розбиваються разом під їх взаємною гравітацією, можуть перетворитися на еліптичну.

Незважаючи на ці досягнення в нашому розумінні того, як формуються та розвиваються галактики, залишається багато питань. Наприклад, навіть можливо, враховуючи сучасні докази, що спіральні галактики можуть втратити свої спіральні руки та диски у випадку злиття, що робить їх більш схожими на еліптичну або нерегулярну галактику, а потім знову відновити диск і руки пізніше, якщо достатньо газу залишається доступним. Історія про те, як галактики приймають свої остаточні форми, все ще пишуться, коли ми дізнаємося більше про галактики та їх оточення.

Формування скупчень галактик, суперкластерів, порожнеч і ниток

Якщо окремі галактики, здається, ростуть здебільшого шляхом складання менших частин разом гравітаційно протягом космічного часу, як щодо скупчень галактик та більших структур, таких як ті, що видно на малюнку \(28.3.8\) в розділі 28.3? Як ми пояснюємо масштабні карти, які показують галактики, розподілені по стінам величезних губчастих або бульбашкоподібних структур, що охоплюють сотні мільйонів світлових років?

Як ми бачили, спостереження виявили все більше доказів концентрацій, ниток, скупчень та суперкластерів галактик, коли Всесвіту було менше 3 мільярдів років (рис. \(\PageIndex\) ). Це означає, що великі концентрації галактик вже зійшлися, коли Всесвіту було менше чверті віку, як зараз.

Малюнок \(\PageIndex\) : Злиття галактик у віддаленому скупченні. Це зображення Хаббла показує ядро одного з найвіддаленіших скупчень галактик, поки що виявлених, SPARCS 1049+56; ми бачимо це так, як це було майже 10 мільярдів років тому. Сюрпризом, доставленим зображенням, стала «аварія поїзда» хаотичних форм галактик та синіх приливних хвостів: мабуть, прямо в ядрі є кілька галактик, які зливаються разом, ймовірна причина масового сплеску утворення зірок та яскравого інфрачервоного випромінювання з скупчення.

Майже всі популярні в даний час моделі того, як великомасштабна структура утворилася у Всесвіті розповідають історію, подібну до тієї, що для окремих галактик: крихітні темної матерії «насіння» в гарячому космічному супі після Великого вибуху виросли гравітацією в більші і більші структури, як космічний час відмічено (рис. \(\PageIndex\) ). Остаточні моделі, які ми будуємо, повинні мати можливість пояснити розмір, форму, вік, кількість та просторовий розподіл галактик, скупчень і ниток – не тільки сьогодні, але й далеко в далекому часі. Тому астрономи наполегливо працюють над тим, щоб виміряти, а потім змоделювати ці особливості великомасштабної структури якомога точніше. Поки що суміш 5% нормальних атомів, 27% холодної темної матерії та 68% темної енергії, здається, є найкращим способом пояснити всі наявні в даний час докази (див. Великий вибух).

Рисунок \(\PageIndex\) зростання великомасштабної структури, розрахованої суперкомп’ютерами. Коробки показують, як нитки і суперскупчення галактик ростуть з часом, від відносно плавного розподілу темної матерії і газу, з невеликою кількістю галактик, утворених в перші 2 мільярди років після Великого вибуху, до дуже незграбних ниток галактик з великими порожнечами сьогодні. Порівняйте останнє зображення в цій послідовності з фактичним розподілом прилеглих галактик, показаним на малюнку \(28.3.8\) в розділі 28.3.

Поле ліворуч позначено «Великий вибух», поле в центрі не позначено, а поле праворуч позначено «Подарунок». Біла стрілка вказує зліва направо, що представляє напрямок часу.

Вчені навіть мають модель, яка пояснює, як майже рівномірний, гарячий «суп» з частинок і енергії на початку часу набув швейцарсько-сирну структуру, яку ми зараз бачимо на найбільших масштабах. Як ми побачимо в «Великому вибуху», коли Всесвіту було всього кілька сотень тисяч років, все було при температурі в кілька тисяч градусів. Теоретики припускають, що в той ранній час весь гарячий газ вібрував, так само, як звукові хвилі вібрують повітря нічного клубу особливо гучною смугою. Це вібрування могло сконцентрувати речовину в піки високої щільності і створити порожніші простори між ними. Коли Всесвіт охолоджувався, концентрації речовини були «заморожені», і галактики в кінцевому підсумку утворилися з речовини в цих областях з високою щільністю.

Велика картина

Щоб закінчити цю главу, давайте об’єднаємо всі ці ідеї, щоб розповісти цілісну історію про те, як Всесвіт виглядав так, як він робить. Спочатку, як ми вже говорили, розподіл матерії (як світиться, так і темної) був майже, але не зовсім рівним, плавним і рівномірним. Те, що «не зовсім» є ключем до всього. Тут і були грудочки, де щільність речовини (як світиться, так і темна) коли-небудь була так трохи вище середньої.

Спочатку кожна окрема грудка розширювалася, тому що весь Всесвіт розширювався. Однак, коли Всесвіт продовжував розширюватися, області вищої щільності набули ще більшої маси, оскільки вони чинили трохи більшу, ніж середню гравітаційну силу на навколишній матеріал. Якщо внутрішня тяга тяжіння була досить високою, більш щільні окремі області в кінцевому підсумку перестали розширюватися. Потім вони почали руйнуватися в краплі неправильної форми (це технічний термін астрономи використовують!). У багатьох регіонах колапс був більш швидким в одному напрямку, тому концентрації речовини не були сферичними, а нагадували гігантські скупчення, млинці та канатні нитки – кожна набагато більша за окремі галактики.

Ці витягнуті скупчення існували по всій ранній всесвіту, орієнтовані в різні боки і руйнуючись з різною швидкістю. Скупчення забезпечили основу для масштабних ниткоподібних і бульбашкоподібних структур, які ми бачимо збереженими у Всесвіті сьогодні.

Тоді Всесвіт приступив до «побудови себе» знизу вгору. У грудочках спочатку утворилися менші структури, а потім злилися, щоб побудувати більші, як Lego шматки збираються один за іншим, щоб створити гігантський мегаполіс Лего. Перші щільні концентрації речовини, які руйнувалися, були розміром з малі карликові галактики або кулясті скупчення – що допомагає пояснити, чому кулясті скупчення є найдавнішими речами Чумацького Шляху та більшості інших галактик. Потім ці фрагменти поступово збиралися для побудови галактик, скупчень галактик і, зрештою, суперскупчень галактик.

Згідно з цією картиною, малі галактики та великі зоряні скупчення вперше утворилися в областях найвищої щільності з усіх – ниток і вузлів, де перетинаються млинці – коли Всесвіт становив близько двох відсотків від свого поточного віку. Деякі зірки, можливо, утворилися ще до того, як з’явилися перші зоряні скупчення і галактики. Деякі зіткнення галактик викликали масові сплески зоряного утворення, а деякі з них призвели до утворення чорних дір. У тому багатому, переповненому середовищі чорні діри знаходили постійну їжу і росли в масі. Розвиток масивних чорних дір тоді викликало квазари та інші активні галактичні ядра, чиї потужні відтоки енергії та речовини перекрили утворення зірок у своїх галактиках-господарях. Ранній Всесвіт, мабуть, був захоплюючим місцем!

Скупчення галактик потім утворюються у вигляді окремих галактик, зібраних між собою шляхом їх взаємного гравітаційного тяжіння (рис. \(\PageIndex\) ). По-перше, кілька галактик зібралися разом, щоб сформувати групи, подібно до нашої власної місцевої групи. Потім групи почали об’єднуватися, утворюючи скупчення і, врешті-решт, суперкластери. Ця модель передбачає, що кластери та суперкластери все ще повинні збиратися разом, і спостереження насправді припускають, що кластери все ще збирають свої зграї галактик і збирають більше газу, коли він тече уздовж ниток. У деяких випадках ми навіть бачимо цілі скупчення галактик, що зливаються разом.

Малюнок \(\PageIndex\) Формування скупчення галактик. Ця принципова схема показує, як галактики могли утворитися, якби невеликі хмари утворилися спочатку, а потім зібралися, утворюючи галактики, а потім скупчення галактик.

Більшість гігантських еліптичних галактик утворилися в результаті зіткнення і злиття безлічі дрібніших фрагментів. Деякі спіральні галактики, можливо, утворилися у відносно ізольованих областях з однієї хмари газу, яка зруйнувалася, щоб зробити сплющений диск, але інші придбали додаткові зірки, газ та темну матерію через зіткнення, і зірки, придбані через ці зіткнення, тепер населяють свої ореоли та опуклості. Як ми бачили, наш Чумацький Шлях все ще захоплює маленькі галактики і додає їх до свого ореолу, і, ймовірно, також витягує свіжий газ з цих галактик у свій диск.

Резюме

Спочатку світлова і темна матерія у Всесвіті розподілялася майже – але не зовсім рівномірно. Завдання для теорій формування галактик полягає в тому, щоб показати, як цей «не зовсім» плавний розподіл речовини розвивав структури – галактики та кластери галактик – які ми бачимо сьогодні. Цілком ймовірно, що ниткоподібний розподіл галактик і пустот було побудовано на початку, до того, як почали утворюватися зірки і галактики. Перші ущільнення речовини були приблизно масою великого зоряного скупчення або малої галактики. Потім ці менші структури злилися протягом космічного часу, утворюючи великі галактики, скупчення галактик та суперкластери галактик. Суперкластери сьогодні все ще збирають більше галактик, газу та темної матерії. А спіральні галактики, такі як Чумацький Шлях, все ще здобувають матеріал, захоплюючи невеликі галактики поблизу них.