La vida de les galàxies i la història del seu estudi

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

La història de l'estudi de planetes i estrelles es mesura en mil·lennis, el Sol, cometes, asteroides i meteorits, en segles. Però les galàxies, disperses per l'Univers, cúmuls d'estrelles, gas còsmic i partícules de pols, es van convertir en objecte d'investigació científica només a la dècada de 1920.

Les galàxies s'han observat des de temps immemorials. Una persona amb una visió aguda pot distingir punts clars al cel nocturn, semblants a gotes de llet. Al segle X, l'astrònom persa Abd-al-Raman al-Sufi va esmentar al seu Llibre d'estrelles fixes dos punts semblants, ara coneguts com el Gran Núvol de Magallanes i la galàxia M31, també coneguda com Andròmeda.

Amb l'arribada dels telescopis, els astrònoms han observat cada cop més aquests objectes, anomenats nebuloses. Si l'astrònom anglès Edmund Halley només va enumerar sis nebuloses el 1716, aleshores el catàleg publicat el 1784 per l'astrònom naval francès Charles Messier ja en contenia 110, i entre elles quatre dotzenes de galàxies reals (inclosa M31).

El 1802, William Herschel va publicar una llista de 2.500 nebuloses, i el seu fill John va publicar un catàleg de més de 5.000 nebuloses el 1864.

El nostre veí més proper, la galàxia d'Andròmeda (M31), és un dels objectes celestes preferits per a les observacions astronòmiques i la fotografia amateurs.

La naturalesa d'aquests objectes ha eludit durant molt de temps la comprensió. A mitjans del segle XVIII, algunes ments exigents hi van veure sistemes estel·lars similars a la Via Làctia, però els telescopis d'aquella època no van oferir l'oportunitat de provar aquesta hipòtesi.

Un segle més tard, va prevaler l'opinió que cada nebulosa és un núvol de gas il·luminat des de l'interior per una estrella jove. Més tard, els astrònoms estaven convençuts que algunes nebuloses, inclosa Andròmeda, contenen moltes estrelles, però durant molt de temps no estava clar si es trobaven a la nostra galàxia o més enllà.

Va ser només el 1923-1924 que Edwin Hubble va determinar que la distància de la Terra a Andròmeda era almenys tres vegades el diàmetre de la Via Làctia (de fet, unes 20 vegades) i que M33, una altra nebulosa del catàleg de Messier, no era menys lluny de nosaltres. distància. Aquests resultats van marcar l'inici d'una nova disciplina científica: l'astronomia galàctica.

El 1926, el famós astrònom nord-americà Edwin Powell Hubble va proposar (i el 1936 va modernitzar) la seva classificació de les galàxies per la seva morfologia. Per la seva forma característica, aquesta classificació també s'anomena "Diapasó Hubble".

A la "tija" del diapasó hi ha galàxies el·líptiques, a les puntes de la forquilla: galàxies lenticulars sense mànigues i galàxies espirals sense un pont de barra i amb una barra. Les galàxies que no es poden classificar com una de les classes enumerades s'anomenen irregulars o irregulars.

Nans i gegants

L'univers està ple de galàxies de diferents mides i masses. El seu nombre es coneix molt aproximadament. L'any 2004, el telescopi òrbita Hubble va descobrir unes 10.000 galàxies en tres mesos i mig, explorant a la constel·lació meridional de Fornax una regió del cel cent vegades més petita que l'àrea del disc lunar.

Si suposem que les galàxies es distribueixen per l'esfera celeste amb la mateixa densitat, resulta que a l'espai observat n'hi ha 200.000 milions, però aquesta estimació està molt subestimada, ja que el telescopi no va poder notar un gran nombre de galàxies molt febles..

Forma i contingut

Les galàxies també difereixen en morfologia (és a dir, en forma). En general, es divideixen en tres classes principals: en forma de disc, el·líptica i irregular (irregular). Aquesta és una classificació general, n'hi ha de molt més detallada.

Les galàxies no es distribueixen gens aleatòriament a l'espai exterior. Les galàxies massives sovint estan envoltades de petites galàxies satèl·lit. Tant la nostra Via Làctia com la veïna Andròmeda tenen almenys 14 satèl·lits, i molt probablement n'hi ha molts més. A les galàxies els agrada unir-se en parelles, trillissos i grups més grans de desenes de parelles gravitacionalment.

Les associacions més grans, els cúmuls galàctics, contenen centenars i milers de galàxies (el primer d'aquests cúmuls va ser descobert per Messier). De vegades, s'observa una galàxia gegant especialment brillant al centre del cúmul, que es creu que va sorgir durant la fusió de galàxies més petites.

I, finalment, també hi ha supercúmuls, que inclouen tant cúmuls i grups galàctics, com galàxies individuals. Normalment es tracta d'estructures allargades de fins a centenars de megaparsecs de longitud. Estan separats per buits espacials gairebé completament lliures de galàxies de la mateixa mida.

Els supercúmuls ja no s'organitzen en cap estructura d'ordre superior i es troben dispersos pel Cosmos de manera aleatòria. Per aquest motiu, a una escala de diversos centenars de megaparsecs, el nostre Univers és homogeni i isòtrop.

Una galàxia en forma de disc és un pancake estel·lar que gira al voltant d'un eix que passa pel seu centre geomètric. En general, a banda i banda de la zona central del pancake hi ha una protuberància ovalada (de l'anglès bulge). La protuberància també gira, però amb una velocitat angular inferior a la del disc. En el pla del disc, sovint s'observen branques espirals, que abunden en lluminàries brillants relativament joves. Tanmateix, hi ha discs galàctics sense estructura espiral, on hi ha moltes menys estrelles d'aquest tipus.

La zona central d'una galàxia en forma de disc pot ser tallada per una barra estel·lar: una barra. L'espai dins del disc s'omple amb un medi de gas i pols: el material d'origen de les noves estrelles i sistemes planetaris. La galàxia té dos discs: estel·lar i gasós.

Estan envoltats per un halo galàctic: un núvol esfèric de gas calent enrarit i matèria fosca, que fa la principal contribució a la massa total de la galàxia. L'halo també conté estrelles velles individuals i cúmuls estel·lars globulars (cúmuls globulars) de fins a 13.000 milions d'anys. Al centre de gairebé qualsevol galàxia en forma de disc, amb o sense protuberància, hi ha un forat negre supermassiu. Les galàxies més grans d'aquest tipus contenen 500 mil milions d'estrelles cadascuna.

Via Làctea

El sol gira al voltant del centre d'una galàxia espiral força normal, que inclou entre 200 i 400 mil milions d'estrelles. El seu diàmetre és d'aproximadament 28 kiloparsecs (poc més de 90 anys llum). El radi de l'òrbita intragalàctica solar és de 8,5 kiloparsecs (de manera que la nostra estrella es desplaça cap a la vora exterior del disc galàctic), el temps d'una revolució completa al voltant del centre de la galàxia és d'uns 250 milions d'anys.

La protuberància de la Via Làctia és de forma el·líptica i té una barra descoberta recentment. Al centre de la protuberància hi ha un nucli compacte ple d'estrelles de diverses edats, des de diversos milions d'anys fins a mil milions i més. Dins del nucli, darrere de núvols densos i polsós, hi ha un forat negre bastant modest segons els estàndards galàctics: només 3,7 milions de masses solars.

La nostra galàxia té un disc estel·lar doble. El disc interior, que no té més de 500 parsecs verticalment, representa el 95% de les estrelles de la zona del disc, incloses totes les estrelles brillants joves. Està envoltat per un disc exterior de 1.500 parsecs de gruix, on viuen estrelles més antigues. El disc gasós (més precisament, gas-pols) de la Via Làctia té almenys 3,5 quiloparsecs de gruix. Els quatre braços espirals del disc són regions d'augment de la densitat del medi gas-pols i contenen la majoria de les estrelles més massives.

El diàmetre de l'halo de la Via Làctia és almenys el doble del diàmetre del disc. S'hi han descobert uns 150 cúmuls globulars i, molt probablement, encara no s'han descobert una cinquantena més. Els cúmuls més antics tenen més de 13.000 milions d'anys. El halo està ple de matèria fosca amb una estructura grumosa.

Fins fa poc, es creia que l'aureola és gairebé esfèrica, però, segons les últimes dades, es pot aplanar significativament. La massa total de la galàxia pot ser de fins a 3 bilions de masses solars, amb la matèria fosca que representa el 90-95%. La massa d'estrelles de la Via Làctia s'estima entre 90 i 100 mil milions de vegades la massa del Sol.

Una galàxia el·líptica, com el seu nom indica, és el·lipsoïdal. No gira en conjunt i, per tant, no té simetria axial. Les seves estrelles, que majoritàriament tenen una massa relativament baixa i una edat considerable, giren al voltant del centre galàctic en diferents plans i de vegades no individualment, sinó en cadenes molt allargades.

Les noves lluminàries de les galàxies el·líptiques rarament s'il·luminen a causa de l'escassetat de matèries primeres: hidrogen molecular.

Com els humans, les galàxies s'agrupen. El nostre grup local inclou les dues galàxies més grans a les proximitats d'uns 3 megaparsecs: la Via Làctia i Andròmeda (M31), la galàxia Triangulum, així com els seus satèl·lits: els Núvols de Magallanes Grans i Petits, galàxies nanes a Canis Major, Pegàs, Carina, Sextant, Phoenix i molts altres: un total d'una cinquantena. El grup local, al seu torn, és membre del supercúmul local de Virgo.

Tant les galàxies més grans com les més petites són de tipus el·líptic. La quota total dels seus representants a la població galàctica de l'Univers és només d'un 20%. Aquestes galàxies (amb la possible excepció de les més petites i febles) també amaguen forats negres supermassius a les seves zones centrals. Les galàxies el·líptiques també tenen halos, però no tan clars com les de les en forma de disc.

Totes les altres galàxies es consideren irregulars. Contenen molta pols i gas i estan produint activament estrelles joves. Hi ha poques galàxies d'aquest tipus a distàncies moderades de la Via Làctia, només un 3%.

Tanmateix, entre els objectes amb un gran desplaçament cap al vermell, la llum dels quals es va emetre no més tard de 3.000 milions d'anys després del Big Bang, la seva proporció augmenta considerablement. Pel que sembla, tots els sistemes estel·lars de la primera generació eren petits i tenien contorns irregulars, i les grans galàxies en forma de disc i el·líptiques van sorgir molt més tard.

Naixement de les galàxies

Les galàxies van néixer poc després de les estrelles. Es creu que les primeres lluminàries van aparèixer no més tard de 150 milions d'anys després del Big Bang. El gener de 2011, un equip d'astrònoms que processava informació del telescopi espacial Hubble va informar de la probable observació d'una galàxia la llum de la qual va entrar a l'espai 480 milions d'anys després del Big Bang.

A l'abril, un altre equip d'investigació va descobrir una galàxia que, amb tota probabilitat, ja estava totalment formada quan el jove univers tenia uns 200 milions d'anys.

Les condicions per al naixement d'estrelles i galàxies van sorgir molt abans que comencés. Quan l'univers va superar la marca dels 400.000 anys, el plasma de l'espai exterior va ser substituït per una barreja d'heli neutre i hidrogen. Aquest gas encara estava massa calent per unir-se als núvols moleculars que donen lloc a les estrelles.

No obstant això, era adjacent a partícules de matèria fosca, distribuïdes inicialment a l'espai no del tot uniforme, on és una mica més densa, on està més enrarit. No van interactuar amb el gas bariònic i, per tant, sota l'acció de l'atracció mútua, es van col·lapsar lliurement en zones d'augment de densitat.

Segons els càlculs del model, al cap de cent milions d'anys després del Big Bang, es van formar a l'espai núvols de matèria fosca de la mida del sistema solar actual. Es van combinar en estructures més grans, malgrat l'expansió de l'espai. Així és com van sorgir els cúmuls de núvols de matèria fosca, i després els cúmuls d'aquests cúmuls. Van aspirar gas espacial, permetent-lo espessir i col·lapsar-se.

D'aquesta manera, van aparèixer les primeres estrelles supermassives, que ràpidament van explotar en supernoves i van deixar enrere forats negres. Aquestes explosions van enriquir l'espai amb elements més pesats que l'heli, que van ajudar a refredar els núvols de gas que s'esfondraven i, per tant, van fer possible l'aparició d'estrelles de segona generació menys massives.

Aquestes estrelles ja podien existir durant milers de milions d'anys i, per tant, van poder formar (de nou amb l'ajuda de la matèria fosca) sistemes lligats gravitacionalment. Així van sorgir les galàxies de llarga vida, inclosa la nostra.

"Molts dels detalls de la galactogènesi encara estan amagats a la boira", diu John Kormendy. - En particular, això s'aplica al paper dels forats negres. Les seves masses van des de desenes de milers de masses solars fins al rècord absolut actual de 6.600 milions de masses solars, pertanyents a un forat negre del nucli de la galàxia el·líptica M87, situada a 53,5 milions d'anys llum del Sol.

Els forats al centre de les galàxies el·líptiques solen estar envoltats per protuberàncies formades per estrelles velles. Les galàxies espirals poden no tenir cap protuberància o tenir les seves similituds planes, pseudo-bombades. La massa d'un forat negre sol ser tres ordres de magnitud menor que la massa de la protuberància, naturalment, si està present. Aquest patró es confirma amb observacions que cobreixen forats amb una massa d'un milió a mil milions de masses solars.

Segons el professor Kormendy, els forats negres galàctics guanyen massa de dues maneres. El forat, envoltat d'una protuberància en tota regla, creix a causa de l'absorció de gas que arriba a la protuberància des de la zona exterior de la galàxia. Durant la fusió de galàxies, la intensitat de l'entrada d'aquest gas augmenta bruscament, la qual cosa inicia esclats de quàsars.

Com a resultat, les protuberàncies i els forats evolucionen paral·lelament, la qual cosa explica la correlació entre les seves masses (no obstant això, altres mecanismes encara desconeguts també poden funcionar).

Investigadors de la Universitat de Pittsburgh, UC Irvine i la Universitat Atlantic de Florida han modelat la col·lisió de la Via Làctia i el predecessor de la galàxia el·líptica nana de Sagitari (SagDEG) a Sagitari.

Van analitzar dues opcions per a les col·lisions: amb un fàcil (3x10¹⁰masses solars) i pesades (10¹¹ masses solars) SagDEG. La figura mostra els resultats de 2.700 milions d'anys d'evolució de la Via Làctia sense interacció amb una galàxia nana i amb interacció amb la variant lleugera i pesada de SagDEG.

Les galàxies lliures de calb i les galàxies amb pseudo-bombades són una qüestió diferent. Les masses dels seus forats no solen superar les 104-106 masses solars. Segons el professor Kormendy, s'alimenten amb gas a causa de processos aleatoris que es produeixen prop del forat i no s'estenen per tota la galàxia. Aquest forat creix independentment de l'evolució de la galàxia o del seu pseudo-bult, la qual cosa explica la manca de correlació entre les seves masses.

Galàxies en creixement

Les galàxies poden augmentar tant de mida com de massa. "En el passat llunyà, les galàxies ho van fer de manera molt més eficient que en èpoques cosmològiques recents", explica Garth Illingworth, professor d'astronomia i astrofísica a la Universitat de Califòrnia, Santa Cruz. - La taxa de naixement de noves estrelles s'estima en funció de la producció anual d'una unitat de massa de matèria estel·lar (en aquesta capacitat, la massa del Sol) per unitat de volum de l'espai exterior (normalment un megaparsec cúbic).

En el moment de la formació de les primeres galàxies, aquesta xifra era molt petita, i després va començar a créixer ràpidament, que va continuar fins que l'Univers va tenir 2.000 milions d'anys. Durant 3.000 milions d'anys més, va ser relativament constant, després va començar a disminuir gairebé en proporció al temps, i aquest descens continua fins als nostres dies. Per tant, fa 7-8 mil milions d'anys, la taxa mitjana de formació d'estrelles era de 10 a 20 vegades més alta que l'actual. La majoria de les galàxies observables ja es van formar completament en aquella època llunyana.

La figura mostra els resultats de l'evolució en diferents moments: la configuració inicial (a), després de 0, 9 (b), 1, 8 © i 2, 65 mil milions d'anys (d). Segons els càlculs del model, la barra i els braços espirals de la Via Làctia es podrien haver format com a resultat de col·lisions amb SagDEG, que inicialment va treure entre 50 i 100 mil milions de masses solars.

Va passar dues vegades pel disc de la nostra galàxia i va perdre part de la seva matèria (tant ordinària com fosca), provocant pertorbacions de la seva estructura. La massa actual de SagDEG no supera les desenes de milions de masses solars, i la propera col·lisió, que s'espera no més tard de 100 milions d'anys després, probablement serà l'última.

En termes generals, aquesta tendència és comprensible. Les galàxies creixen de dues maneres principals. En primer lloc, obtenen material d'esclat estel·lar fresc aspirant partícules de gas i pols de l'espai circumdant. Durant diversos milers de milions d'anys després del Big Bang, aquest mecanisme va funcionar correctament simplement perquè hi havia prou matèria primera estel·lar a l'espai per a tothom.

Aleshores, quan es van esgotar les reserves, la taxa de naixement estel·lar va baixar. Tanmateix, les galàxies han trobat la capacitat d'augmentar-la mitjançant col·lisions i fusions. És cert que perquè aquesta opció es realitzi, les galàxies en col·lisió han de tenir un subministrament decent d'hidrogen interestel·lar. Per a les galàxies el·líptiques grans, on pràcticament ha desaparegut, la fusió no ajuda, però en les galàxies discoides i irregulars funciona.

Ruta de col·lisió

Vegem què passa quan dues galàxies de tipus disc aproximadament idèntiques es fusionen. Les seves estrelles gairebé mai xoquen: les distàncies entre elles són massa grans. Tanmateix, el disc gasós de cada galàxia està experimentant forces de marea a causa de la gravetat del seu veí. La matèria bariònica del disc perd part del moment angular i es desplaça cap al centre de la galàxia, on sorgeixen les condicions per a un creixement explosiu de la velocitat de formació estel·lar.

Part d'aquesta substància és absorbida pels forats negres, que també guanyen massa. En la fase final de la unificació de les galàxies, els forats negres es fusionen i els discos estel·lars d'ambdues galàxies perden la seva estructura anterior i es dispersen a l'espai. Com a resultat, es forma una el·líptica a partir d'un parell de galàxies espirals. Però aquesta no és de cap manera la imatge completa. La radiació d'estrelles brillants joves pot expulsar part de l'hidrogen de la galàxia recent nascuda.

Paral·lelament, l'acreció activa de gas al forat negre obliga aquest darrer de tant en tant a llançar dolls d'enormes partícules d'energia a l'espai, escalfant gas a tota la galàxia i impedint així la formació de noves estrelles. La galàxia s'està calmant gradualment, probablement per sempre.

Galàxies de diferents mides xoquen de manera diferent. Una galàxia gran és capaç d'empassar una galàxia nana (a la vegada o en diversos passos) i al mateix temps conservar la seva pròpia estructura. Aquest canibalisme galàctic també pot estimular la formació d'estrelles.

La galàxia nana està completament destruïda, deixant enrere cadenes d'estrelles i dolls de gas còsmic, que s'observen tant a la nostra galàxia com a la veïna Andròmeda. Si una de les galàxies en col·lisió no és massa superior a l'altra, encara són possibles efectes més interessants.

Esperant el super telescopi

L'astronomia galàctica va sobreviure gairebé un segle. Va començar pràcticament des de zero i va aconseguir molt. Tanmateix, el nombre de problemes no resolts és molt gran. Els científics esperen molt del James Webb Infrared Orbiting Telescope, que es va llançar el 2021.