| Часть серии по |
| Физическая космология |
|---|
 |
|
КатегорияИзучение формирования и эволюции галактик связано с процессами, которые сформировали неоднородную Вселенную с однородного начала, образованием первых галактик, тем, как галактики меняются с течением времени, и процессами, которые породили множество структур, наблюдаемых в близлежащих галактиках. . Предполагается, что образование галактик происходит из теорий формирования структуры в результате крошечных квантовых флуктуаций после Большого взрыва . Простейшей моделью, в общем согласующейся с наблюдаемыми явлениями, является модель лямбда-CDM, т. Е. Кластеризация и слияние позволяет галактикам накапливать массу, определяя как их форму, так и структуру.
Обычно наблюдаемые свойства галактик [ править ]
Из-за невозможности проводить эксперименты в открытом космосе единственный способ «проверить» теории и модели эволюции галактик - это сравнить их с наблюдениями. Объяснения того, как формировались и развивались галактики, должны позволять предсказывать наблюдаемые свойства и типы галактик.
Эдвин Хаббл создал первую схему классификации галактик, известную как диаграмма камертона Хаббла. Он разделил галактики на эллиптические , нормальные спирали , спирали с перемычкой (например, Млечный Путь ) и неправильные формы . Эти типы галактик обладают следующими свойствами, которые можно объяснить текущими теориями эволюции галактик:
- Многие свойства галактик (в том числе диаграмма цвет – величина галактики ) указывают на то, что существует два основных типа галактик. Эти группы делятся на голубые галактики, образующие звезды, которые больше похожи на спиральные, и красные галактики, не образующие звезд, которые больше похожи на эллиптические галактики.
- Спиральные галактики довольно тонкие, плотные и относительно быстро вращаются, в то время как звезды в эллиптических галактиках имеют случайно ориентированные орбиты.
- Большинство гигантских галактик содержат в своих центрах сверхмассивные черные дыры , масса которых варьируется от миллионов до миллиардов масс нашего Солнца . Масса черной дыры связана с выпуклостью родительской галактики или массой сфероида.
- Металличность положительно коррелирует с абсолютной величиной (светимостью) галактики.
Существует распространенное заблуждение, что Хаббл ошибочно полагал, что камертонная диаграмма описывает эволюционную последовательность галактик, от эллиптических галактик через линзообразные до спиральных галактик. Это не тот случай; вместо этого диаграмма камертона показывает эволюцию от простого к сложному без каких-либо временных коннотаций. [1] Теперь астрономы полагают, что сначала сформировались дисковые галактики, а затем они превратились в эллиптические галактики в результате слияния галактик.
Современные модели также предсказывают, что большая часть массы в галактиках состоит из темной материи , вещества, которое нельзя непосредственно наблюдать и которое может не взаимодействовать никакими средствами, кроме гравитации. Это наблюдение возникает из-за того, что галактики не могли сформироваться так, как они есть, или вращаться так, как они видны, если только они не содержат гораздо большую массу, чем можно наблюдать напрямую.
Формирование дисковых галактик [ править ]
Самый ранний этап эволюции галактик - образование. Когда формируется галактика, она имеет форму диска и называется спиральной галактикой из-за спиралевидной структуры, расположенной на диске. Существуют разные теории о том, как эти дискообразные распределения звезд развиваются из облака материи: однако в настоящее время ни одна из них точно не предсказывает результаты наблюдений.
Теории сверху вниз [ править ]
Олин Эгген , Дональд Линден-Белл и Аллан Сэндидж [2] в 1962 году предложили теорию, согласно которой дисковые галактики образуются в результате монолитного коллапса большого газового облака. Распределение материи в ранней Вселенной было сгустками, состоящими в основном из темной материи. Эти сгустки взаимодействовали гравитационно, передавая друг другу приливные моменты, которые давали им некоторый угловой момент. Как барионная материяохладившись, он рассеял часть энергии и сузился к центру. При сохранении углового момента вещество вблизи центра ускоряет свое вращение. Затем, как крутящийся шар из теста для пиццы, материя превращается в плотный диск. Когда диск охлаждается, газ теряет гравитационную устойчивость, поэтому он не может оставаться сингулярным однородным облаком. Он разбивается, и эти более мелкие газовые облака образуют звезды. Поскольку темная материя не рассеивается, поскольку взаимодействует только гравитационно, она остается распределенной за пределами диска в так называемом темном гало . Наблюдения показывают, что за пределами диска расположены звезды, что не совсем подходит для модели «тесто для пиццы». Впервые он был предложен Леонардом Сирлом и Робертом Зинном [3]что галактики образуются в результате слияния более мелких предков. Эта теория, известная как сценарий формирования сверху вниз, довольно проста, но больше не получила широкого распространения.
Теории снизу вверх [ править ]
Более поздние теории включают кластеризацию гало темной материи в восходящем процессе. Вместо коллапса больших газовых облаков с образованием галактики, в которой газ распадается на более мелкие облака, предполагается, что материя начиналась с этих «меньших» сгустков (масса порядка шаровых скоплений ), а затем многие из этих сгустков сливались. чтобы сформировать галактики [4], которые затем были притянуты гравитацией, чтобы сформировать скопления галактик . Это по-прежнему приводит к дискообразному распределению барионной материи с темной материей, образующей гало, по тем же причинам, что и в теории сверху вниз. Модели, использующие такой процесс, предсказывают больше маленьких галактик, чем больших, что соответствует наблюдениям.
В настоящее время астрономы не знают, какой процесс останавливает сокращение. Фактически, теории образования дисковых галактик не позволяют определить скорость вращения и размер дисковых галактик. Было высказано предположение, что излучение ярких новообразованных звезд или активного ядра галактики может замедлить сжатие формирующегося диска. Было также высказано предположение, что гало темной материи может притягивать галактику, останавливая сокращение диска. [5]
Модель Lambda-CDM - это космологическая модель, объясняющая образование Вселенной после Большого взрыва . Это относительно простая модель, которая предсказывает многие свойства, наблюдаемые во Вселенной, включая относительную частоту различных типов галактик; однако он недооценивает количество тонких дисковых галактик во Вселенной. [6]Причина в том, что эти модели образования галактик предсказывают большое количество слияний. Если дисковые галактики сливаются с другой галактикой сопоставимой массы (по крайней мере, 15 процентов ее массы), слияние, вероятно, разрушит или, как минимум, сильно разрушит диск, и полученная галактика не будет дисковой галактикой (см. Следующий раздел ). Хотя это остается нерешенной проблемой для астрономов, это не обязательно означает, что модель лямбда-CDM полностью неверна, а скорее, что она требует дальнейшего уточнения для точного воспроизведения населения галактик во Вселенной.
Слияние галактик и образование эллиптических галактик [ править ]
Эллиптические галактики (такие как IC 1101 ) являются одними из самых крупных известных на данный момент. Их звезды находятся на орбитах, которые случайным образом ориентированы внутри галактики (т.е. они не вращаются, как дисковые галактики). Отличительной чертой эллиптических галактик является то, что скорость звезд не обязательно способствует сглаживанию галактики, например, в спиральных галактиках. [7] Эллиптические галактики имеют в центре сверхмассивные черные дыры , и массы этих черных дыр коррелируют с массой галактики.
Эллиптические галактики проходят два основных этапа эволюции. Первый связан с ростом сверхмассивной черной дыры за счет аккреции охлаждающего газа. Вторая стадия отмечена стабилизацией черной дыры за счет подавления охлаждения газа, в результате чего эллиптическая галактика остается в стабильном состоянии. [8] Масса черной дыры также связана со свойством, называемым сигма, которое представляет собой разброс скоростей звезд на их орбитах. Эта взаимосвязь, известная как отношение M-сигма , была обнаружена в 2000 году. [9] Эллиптические галактики в основном не имеют дисков, хотя некоторые выпуклости дисковых галактик напоминают эллиптические галактики. Эллиптические галактики чаще встречаются в густонаселенных регионах Вселенной (например,скопления галактик ).
Теперь астрономы считают эллиптические галактики одними из наиболее развитых систем во Вселенной. Принято считать, что основной движущей силой эволюции эллиптических галактик является слияние более мелких галактик. Многие галактики во Вселенной гравитационно связаны с другими галактиками, а это означает, что им никогда не избежать взаимного притяжения. Если галактики одинакового размера, результирующая галактика не будет похожа ни на одну из предшественниц [10], но вместо этого будет эллиптической. Есть много типов слияния галактик, которые не обязательно приводят к образованию эллиптических галактик, но приводят к структурным изменениям. Например, считается, что происходит небольшое слияние Млечного Пути и Магеллановых облаков.
Слияние таких больших галактик считается насильственным, а фрикционное взаимодействие газа между двумя галактиками может вызвать гравитационные ударные волны , которые способны образовывать новые звезды в новой эллиптической галактике. [11] Последовательность нескольких изображений различных столкновений галактик позволяет наблюдать временную шкалу двух спиральных галактик, сливающихся в одну эллиптическую галактику. [12]
В Местной группе Млечный Путь и Галактика Андромеды гравитационно связаны и в настоящее время приближаются друг к другу с большой скоростью. Моделирование показывает, что Млечный Путь и Андромеда движутся по курсу столкновения и, как ожидается, столкнутся менее чем через пять миллиардов лет. Ожидается, что во время этого столкновения Солнце и остальная часть Солнечной системы будут выброшены с его текущего пути вокруг Млечного Пути. Остаток мог быть гигантской эллиптической галактикой. [13]
Тушение галактики [ править ]
Одно наблюдение (см. Выше), которое должно быть объяснено с помощью успешной теории эволюции галактик, - это существование двух разных популяций галактик на диаграмме цвет-величина галактики. Большинство галактик имеют тенденцию попадать в два разных места на этой диаграмме: «красную последовательность» и «синее облако». Галактики красной последовательности, как правило, не являются звездообразующими эллиптическими галактиками с небольшим количеством газа и пыли, в то время как галактики с синими облаками обычно представляют собой пыльные спиральные галактики, образующие звезды. [15] [16]
Как описано в предыдущих разделах, галактики имеют тенденцию эволюционировать от спиральной к эллиптической структуре посредством слияний. Однако текущая скорость слияния галактик не объясняет, как все галактики перемещаются из «синего облака» в «красную последовательность». Это также не объясняет, как прекращается звездообразование в галактиках. Следовательно, теории эволюции галактик должны быть в состоянии объяснить, как в галактиках происходит звездообразование. Это явление называется «тушением» галактик. [17]
Звезды образуются из холодного газа (см. Также закон Кенникатта-Шмидта ), поэтому галактика гаснет, когда в ней больше нет холодного газа. Однако считается, что гашение происходит относительно быстро (в пределах 1 миллиарда лет), что намного меньше времени, которое потребуется галактике, чтобы просто израсходовать свой резервуар холодного газа. [18] [19] Модели эволюции галактик объясняют это гипотезой о других физических механизмах, которые устраняют или перекрывают подачу холодного газа в галактику. Эти механизмы можно в общих чертах разделить на две категории: (1) механизмы превентивной обратной связи, которые не позволяют холодному газу проникать в галактику или не дают ему образовывать звезды, и (2) механизмы выталкивающей обратной связи, которые удаляют газ, чтобы он не мог образовывать звезды. [20]
Один теоретический превентивный механизм, называемый «удушение», не позволяет холодному газу проникать в галактику. Удушение, вероятно, является основным механизмом подавления звездообразования в близлежащих галактиках с малой массой. [21] Точное физическое объяснение удушения до сих пор неизвестно, но, возможно, оно связано с взаимодействием галактики с другими галактиками. Когда галактика попадает в скопление галактик, гравитационное взаимодействие с другими галактиками может задушить ее, препятствуя аккреции большего количества газа. [22] Для галактик с массивными ореолами темной материи другой превентивный механизм, называемый «вириальным ударным нагревом», также может препятствовать тому, чтобы газ стал достаточно холодным для образования звезд. [19]
Процессы выброса, которые вытесняют холодный газ из галактик, могут объяснить, как гаснут более массивные галактики. [23] Один из механизмов выброса вызван сверхмассивными черными дырами, обнаруженными в центрах галактик. Моделирование показало, что газ, аккрецирующий на сверхмассивных черных дырах в центрах галактик, производит струи высокой энергии ; высвобожденная энергия может вытеснить достаточно холодного газа, чтобы погасить звездообразование. [24]
Наш собственный Млечный Путь и соседняя Галактика Андромеды в настоящее время, похоже, претерпевают переход от голубых звездообразующих галактик к пассивным красным галактикам. [25]
Галерея [ править ]
NGC 3610 показывает некоторую структуру в виде яркого диска, подразумевая, что она образовалась совсем недавно. [26]
NGC 891 , очень тонкая дисковая галактика
Изображение Мессье 101, прототипной спиральной галактики, видимой лицом к лицу.
Спиральная галактика ESO 510-G13 искривилась в результате столкновения с другой галактикой. После полного поглощения другой галактики искажение исчезнет. Обычно этот процесс занимает миллионы, если не миллиарды лет.
См. Также [ править ]
- Большой взрыв - космологическая модель
- Выпуклость (астрономия)
- Хронология Вселенной - История и будущее Вселенной
- Космология - научное исследование происхождения, эволюции и возможной судьбы Вселенной.
- Галактический диск - компонент дисковых галактик, состоящий из газа и звезд.
- Формирование и эволюция Солнечной системы - Формирование Солнечной системы в результате гравитационного коллапса молекулярного облака и последующая геологическая история
- Галактическая система координат - небесная система координат в сферических координатах с Солнцем в центре.
- Галактическая корона - горячий ионизированный газовый компонент в гало Галактики.
- Галактическое гало
- Кривая вращения галактики
- Проект Illustris - Вселенные, смоделированные на компьютере
- Список галактик
- Массовая сегрегация (астрономия) - процесс, при котором более тяжелые элементы гравитационно связанной системы имеют тенденцию перемещаться к центру, в то время как более легкие элементы имеют тенденцию двигаться от центра.
- Функция распределения металличности - Распределение в группе звезд отношения железа к водороду в звезде.
- Галактика гороха - возможно, тип светящейся голубой компактной галактики, в которой наблюдается очень высокая скорость звездообразования.
- Недавняя разработка (2018 г.): Галактики с небольшим количеством темной материи или без нее - гипотетическая форма материи, составляющая большую часть материи во Вселенной.
- Звездообразование - процесс, при котором плотные области молекулярных облаков в межзвездном пространстве схлопываются, образуя звезды.
- Формирование структуры - формирование галактик, скоплений галактик и более крупных структур из небольших ранних флуктуаций плотности.
- UniverseMachine - вселенные, смоделированные компьютером
- Блин Зельдовича - Теоретическая конденсация газа из первоначального колебания плотности после Большого запрета
Дальнейшее чтение [ править ]
- Мо, Ходжун; ван ден Бош, Франк; Саймон Уайт (июнь 2010 г.), Формирование и эволюция галактик (1-е изд.), Cambridge University Press , ISBN 978-0521857932
Ссылки [ править ]
- ^ Хаббл, Эдвин П. «Внегалактические туманности». Астрофизический журнал 64 (1926).
- ^ Eggen, OJ; Lynden-Bell, D .; Sandage, AR (1962). «Свидетельство движения старых звезд о коллапсе Галактики». Астрофизический журнал . 136 : 748. Bibcode : 1962ApJ ... 136..748E . DOI : 10.1086 / 147433 .
- ^ Searle, L .; Зинн, Р. (1978). «Составы гало-скоплений и формирование гало-галактики». Астрофизический журнал . 225 : 357–379. Bibcode : 1978ApJ ... 225..357S . DOI : 10,1086 / 156499 .
- ^ Белый, Саймон; Рис, Мартин (1978). «Конденсация ядра в тяжелых гало: двухэтапная теория формирования и кластеризации галактик» . МНРАС . 183 (3): 341–358. Bibcode : 1978MNRAS.183..341W . DOI : 10.1093 / MNRAS / 183.3.341 .
- ^ Кристенсен, LL; de Martin, D .; Шида, Р.Й. (2009). Космические столкновения: Атлас сливающихся галактик Хаббла . Springer. ISBN 9780387938530.
- ^ Steinmetz, Матиас; Наварро, Хулио Ф. (1 июня 2002 г.). «Иерархическое происхождение морфологии галактик». Новая астрономия . 7 (4): 155–160. arXiv : astro-ph / 0202466 . Bibcode : 2002NewA .... 7..155S . CiteSeerX 10.1.1.20.7981 . DOI : 10.1016 / S1384-1076 (02) 00102-1 .
- ^ Ким, Донг-Ву (2012). Горячее межзвездное вещество в эллиптических галактиках . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-1-4614-0579-5.
- ^ Чуразов, Э .; Сазонов, С .; Сюняев, Р .; Forman, W .; Jones, C .; Берингер, Х. (1 октября 2005 г.). «Сверхмассивные черные дыры в эллиптических галактиках: переход от очень ярких к очень тусклым» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма . 363 (1): L91 – L95. arXiv : astro-ph / 0507073 . Bibcode : 2005MNRAS.363L..91C . DOI : 10.1111 / j.1745-3933.2005.00093.x . ISSN 1745-3925 .
- ^ Гебхардт, Карл; Бендер, Ральф; Бауэр, Гэри; Дресслер, Алан; Faber, SM; Филиппенко, Алексей В .; Ричард Грин; Гриллмэр, Карл; Хо, Луис К. (1 января 2000 г.). «Связь между массой ядерной черной дыры и дисперсией скорости галактики». Письма в астрофизический журнал . 539 (1): L13. arXiv : astro-ph / 0006289 . Bibcode : 2000ApJ ... 539L..13G . DOI : 10.1086 / 312840 . ISSN 1538-4357 .
- ↑ Барнс, Джошуа Э. (9 марта 1989 г.). «Эволюция компактных групп и образование эллиптических галактик». Природа . 338 (6211): 123–126. Bibcode : 1989Natur.338..123B . DOI : 10.1038 / 338123a0 .
- ^ «Текущие научные основные моменты: когда галактики сталкиваются» . www.noao.edu . Проверено 25 апреля 2016 года .
- ^ Saintonge, Амели. «Что происходит, когда галактики сталкиваются? (Новичок) - Интересно насчет астрономии? Спросите астронома» . curious.astro.cornell.edu . Проверено 25 апреля 2016 года .
- ^ Кокс, TJ; Лоеб, Авраам (1 мая 2008 г.). «Столкновение Млечного Пути и Андромеды» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 386 (1): 461–474. arXiv : 0705.1170 . Bibcode : 2008MNRAS.386..461C . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2008.13048.x . ISSN 0035-8711 .
- ^ «Гигантские галактики умирают изнутри» . www.eso.org . Европейская южная обсерватория . Проверено 21 апреля 2015 года .
- ^ Кэрролл, Брэдли У .; Остли, Дейл А. (2007). Введение в современную астрофизику . Нью-Йорк: Пирсон. ISBN 978-0805304022.
- ^ Blanton, Майкл R .; Хогг, Дэвид В .; Bahcall, Neta A .; Болдры, Иван К .; Brinkmann, J .; Чабай, Иштван; Даниэль Эйзенштейн; Фукугита, Масатака; Ганн, Джеймс Э. (1 января 2003 г.). «Широкополосные оптические свойства галактик с красным смещением 0,02 <z <0,22». Астрофизический журнал . 594 (1): 186. arXiv : astro-ph / 0209479 . Bibcode : 2003ApJ ... 594..186B . DOI : 10.1086 / 375528 . ISSN 0004-637X .
- ^ Faber, SM; Уиллмер, CNA; Wolf, C .; Ку, округ Колумбия; Вайнер, Б.Дж.; Newman, JA; Im, M .; Катушка, AL; К. Конрой (1 января 2007 г.). «Функции светимости галактики для z 1 из DEEP2 и COMBO-17: последствия для формирования красной галактики». Астрофизический журнал . 665 (1): 265–294. arXiv : astro-ph / 0506044 . Bibcode : 2007ApJ ... 665..265F . DOI : 10.1086 / 519294 . ISSN 0004-637X .
- ^ Blanton, Майкл Р. (1 января 2006 г.). «Галактики в SDSS и DEEP2: Тихая жизнь на голубой последовательности?». Астрофизический журнал . 648 (1): 268–280. arXiv : astro-ph / 0512127 . Полномочный код : 2006ApJ ... 648..268B . DOI : 10.1086 / 505628 . ISSN 0004-637X .
- ^ а б Габор, JM; Davé, R .; Finlator, K .; Оппенгеймер, Б.Д. (11 сентября 2010 г.). «Как прекращается звездообразование в массивных галактиках?» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 407 (2): 749–771. arXiv : 1001.1734 . Bibcode : 2010MNRAS.407..749G . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2010.16961.x . ISSN 0035-8711 .
- ^ Кереш, Душан; Кац, Нил; Даве, Ромель; Фардал, Марк; Вайнберг, Дэвид Х. (11 июля 2009 г.). «Галактики в моделируемой вселенной ΛCDM - II. Наблюдаемые свойства и ограничения на обратную связь» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 396 (4): 2332–2344. arXiv : 0901.1880 . Bibcode : 2009MNRAS.396.2332K . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2009.14924.x . ISSN 0035-8711 .
- ^ Peng, Y .; Майолино, Р .; Кокрейн, Р. (2015). «Удушение как основной механизм прекращения звездообразования в галактиках». Природа . 521 (7551): 192–195. arXiv : 1505.03143 . Bibcode : 2015Natur.521..192P . DOI : 10,1038 / природа14439 . PMID 25971510 .
- ^ Бьянкони, Маттео; Marleau, Francine R .; Фадда, Дарио (2016). «Звездообразование и аккреционная активность черных дыр в богатых локальных скоплениях галактик». Астрономия и астрофизика . 588 : A105. arXiv : 1601.06080 . Bibcode : 2016A & A ... 588A.105B . DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 201527116 .
- ^ Кереш, Душан; Кац, Нил; Фардал, Марк; Даве, Ромель; Вайнберг, Дэвид Х. (1 мая 2009 г.). «Галактики в моделируемой Вселенной ΛCDM - I. Холодная мода и горячие ядра» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 395 (1): 160–179. arXiv : 0809.1430 . Bibcode : 2009MNRAS.395..160K . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2009.14541.x . ISSN 0035-8711 .
- ^ Ди Маттео, Тициана; Спрингель, Фолькер; Эрнквист, Ларс (2005). «Энергия квазаров регулирует рост и активность черных дыр и их родительских галактик» . Природа (Представленная рукопись). 433 (7026): 604–607. arXiv : astro-ph / 0502199 . Bibcode : 2005Natur.433..604D . DOI : 10,1038 / природа03335 . PMID 15703739 .
- ^ Матч, Саймон Дж .; Кротон, Даррен Дж .; Пул, Грегори Б. (1 января 2011 г.). «Кризис среднего возраста Млечного Пути и M31». Астрофизический журнал . 736 (2): 84. arXiv : 1105.2564 . Bibcode : 2011ApJ ... 736 ... 84М . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 736/2/84 . ISSN 0004-637X .
- ^ "Молодой эллиптический тренажер" . Проверено 16 ноября 2015 года .
Внешние ссылки [ править ]
- Галерея изображений галактик NOAO
- Изображение галактики Андромеда (M31)
- Калькулятор пассивной эволюции Javascript для галактик раннего типа (эллиптических)
- Видео об эволюции галактик канадского астрофизика доктора П.
| vтеГалактики | |
|---|---|
| Морфология |
|
| Структура |
|
| Активные ядра |
|
| Энергетические галактики |
|
| Низкая активность |
|
| Взаимодействие |
|
| Списки |
|
| Смотрите также |
|
| |
Книга
Портал