Galaktyki: pochodzenie i ewolucja Understand article

Przetłumaczył: Piotr Ścibor. Korekta: Iwona Dedo. Astronomowie wciąż próbują ustalić dlaczego kształt galaktyk jest spiralny oraz jaki los może czekać w przyszłości Drogę Mleczną.

Wrażenie niezmienności jakie budzi w nas nocne niebo jest równie uspokajające co złudne. Obserwowane przez nas gwiazdy i galaktyki podlegają ciągłym zmianom, choć są to procesy powolne, bo trwające miliardy lat.

Dzięki coraz doskonalszym technikom obserwacyjnym astronomowie są w stanie zobaczyć miliony galaktyk położonych w różnej odległości od Ziemi. Światło pochodzące z, jak się wydaje, najodleglejszej od nas galaktyki jaką dotychczas odkryto potrzebowało 13 miliardów (10⁹) lat by dotrzeć do naszych oczu (Zitrin et al., 2015). Badanie historii powstania i ewolucji galaktyk jest więc równoznaczne z patrzeniem w przeszłość –obserwując, cofamy się w czasie, aż do samych początków istnienia Wszechświata.

Pochodzenie galaktyk

Na początku istnienia Wszechświata materia rozłożona była w nim prawie równomiernie, z bardzo niewielkimi wahaniami w gęstości, około jednej części na 100 000. Można to sobie wyobrazić jako bardzo małe grudki mąki w (poza tym) gładkim sosie. Obecnie jednak, Wszechświat jest daleki od bycia jednorodnym, a znajdująca się w nim materia skupia się w galaktykach. Nasuwa się pytanie: co spowodowało tą zmianę?

Jest ono powiązane z kolejną tajemnicą Wszechświata: ciemną materią. Czym jest i z czego się składa? Astronomowie sądzą, że większość materii we Wszechświecie to właśnie owa „ciemna” jej odmiana, a nie „zwykła” materia, którą widzimy wokół siebie. Chociaż siła grawitacji sprawia, że materia przyciąga się wzajemnie, na tą „zwykłą” działają jednocześnie siły zdolne ją rozdzielić, takie jak siła elektromagnetyczna. Nic takiego nie ma jednak miejsca w przypadku ciemnej materii, na którą – według teorii – oddziałuje jedynie grawitacja. Oznacza to, że każda nieregularność w jej rozłożeniu będzie przyciągać większą jej ilość, a w rezultacie rosnąć i tworzyć większe struktury zwane „halo”. Przyciąganie grawitacyjne tych halo staje się w końcu na tyle silne, by zacząć wpływać na zwykłą materię, co rozpoczyna proces tworzenia galaktyk.

Początkowo ciemna materia przyciągać będzie chmury wodoru. Wraz z kondensowaniem się gazu, co daje początek gwiazdom, zaczyna powstawać proto-galaktyka, która ostatecznie uformuje wirujący dysk. Jest to typowy kształt przyjmowany przez galaktyki, w tym i naszą Drogę Mleczną. Zwiększaniu rozmiarów przez galaktykę towarzyszy proces fuzji, w którym wodór zmienia się w hel oraz cięższe pierwiastki. Jego ubytek musi być nieustannie uzupełniany, tak by mogły powstawać nowe gwiazdy. Według astronomów, dodatkowy wodór pochodzi ze strug gazu wciąganych do galaktyki z przestrzeni kosmicznej. Potwierdziły to obserwacje odległych galaktyk „pożywiających się” pobliskimi chmurami wodoru (Bouché et al., 2013).

Transformacje galaktyk

W czasie formowania się galaktyk, a także później, podlegać mogą one spektakularnym transformacjom wywoływanym przez skomplikowaną wewnętrzną dynamikę gwiazd, gazu i ciemnej materii znajdujących się w ich wnętrzu. Na przykład, imponujący spiralny kształt, jaki ma wiele galaktyk, jest wynikiem wewnętrznych procesów grawitacyjnych: sądzi się, że spiralne ramiona powstają dzięki zjawisku zwanemu falami gęstości. Rozchodząc się po galaktyce, fale te zbliżają gwiazdy do siebie.

Centralna poprzeczka obserwowana w wielu galaktykach spiralnych, w tym i naszej, również powstaje w wyniku takiego procesu. Orbity gwiazd ją tworzących, widocznych na zamieszczonej tutaj ilustracji, były początkowo kołowe. W miarę upływu czasu stawały się jednak coraz bardziej wydłużone. Jednym z możliwych wytłumaczeń tej zmiany jest to, że w wirującym dysku, gwiazdy położone bliżej jego środka wykonują pełny obrót szybciej niż te znajdujące się w jego zewnętrznej części. W rezultacie, szybciej poruszające się gwiazdy zbliżają się do i „wyprzedzają” swoich wolniejszych sąsiadów. Powoduje to perturbacje ich okrągłych orbit, które w rezultacie stają się coraz bardziej wydłużone, co prowadzi do powstania podobnego do poprzeczki kształtu^w1.

Inny sposób, w jaki galaktyki mogą ulec zmianie, to łączenie się. Czasami, w akcie kosmicznego kanibalizmu, duża galaktyka zaczyna przyciągać i pochłaniać mniejszą. Jest to coś, co może się przydarzyć w przyszłości Drodze Mlecznej, jeśli (jak przewiduje wielu naukowców) ostatecznie wchłonie ona pobliskie galaktyki satelitarne zwane Obłokami Magellana, które widoczne są z południowej półkuli.

Galaktyki o podobnych rozmiarach również łączą się ze sobą co powoduje katastrofalne zmiany w ich właściwościach. Rezultatem takiego wydarzenia jest galaktyka zupełnie niepodobna do którejkolwiek z tych istniejących na początku. Jednakże, wraz z przyspieszaniem tempa rozszerzania się Wszechświata zwiększa się odległość pomiędzy galaktykami, przez co szansa na zaistnienie takiego wydarzenia maleje.

Przyszłość Drogi Mlecznej

Obecnie Droga Mleczna przeżywa swój spokojny okres, po gwałtownych wydarzeniach mających miejsce w przeszłości, gdy halo ciemnej materii łączyły się z proto-galaktykami i znacząco zwiększały masę galaktyki. Przez ponad połowę okresu istnienia Wszechświata, główną siłą napędową ewolucji Drogi Mlecznej były wewnętrzne procesy dynamiczne. Choć nie zmieni się to przez kolejne kilka miliardów lat, ostatecznie Drogę Mleczną czeka kolizja z sąsiednią galaktyką Andromedy (dla obserwatora na Ziemi wygląda ona teraz jak nieznacząca plamka na niebie). Zbliża się ona do naszej galaktyki z prędkością 110km/s i uderzy w nią za 4 miliardy lat (Van der Marel et al., 2012). Po zakończeniu trwającego kolejne 2 miliardy lat procesu łączenia, obecne galaktyki spiralne z poprzeczką staną się jedną majestatyczną galaktyką eliptyczną.
 

Otwarte pytania

Dzięki ogromnemu postępowi technicznemu i naukowemu w dziedzinie badań galaktyk jaki miał miejsce od lat 70tych, znacznie wzrosła nasza wiedza na temat sposobów w jaki galaktyki zmieniają się i wpływają na siebie nawzajem. Niemniej jednak, wiele pytań nadal pozostaje bez odpowiedzi. Na przykład, gdy obserwujemy odległe galaktyki, zauważamy, że mają one inne kształty niż te położone bliżej nas. To co widzimy to bardzo wczesne stadia rozwoju tych galaktyk – jest to możliwe dzięki temu, że ich światło potrzebowało miliardów lat by do nas dotrzeć. Wiemy, że owe wczesne, o dość osobliwym wyglądzie, galaktyki, zmieniają się w miarę upływu czasu i przybierają bardziej znane nam kształty. Nie wiemy jednak do tego dochodzi.

Głównym problemem astronomii galaktycznej jest niesamowicie długi okres trwania procesów we Wszechświecie co uniemożliwia nam ich bieżącą obserwację. W tej sytuacji, nasze ich rozumienie pochodzi z modeli komputerowych i symulacji bazujących na modelach teoretycznych połączonych z danymi obserwacyjnymi. Jak dotąd, nasze najlepsze symulacje nie dają wyników całkowicie pokrywających się z tym co możemy zaobserwować. Na przykład, według przeprowadzanych obecnie symulacji, we Wszechświecie powinno było powstać dużo więcej małych lub karłowatych galaktyk niż obserwujemy. Różnica ta jest problematyczna, gdyż wskazuje na istnienie błędu w teoriach astronomicznych użytych do stworzenia symulacji – nie jesteśmy jednak pewni w którym miejscu się on znajduje. Nawet właściwości naszego galaktycznego sąsiedztwa nie zgadzają się z wynikami obliczeń. Nasze galaktyki satelitarne są zbyt rozproszone i mało liczne w porównaniu z przewidywaniami najpowszechniej akceptowanych scenariuszy kosmologicznych^w2.

Precyzja symulacji komputerowych w ostatnich dekadach poprawiła się na tyle, by umożliwić nam modelowanie ruchu do biliona cząsteczek. Dla porównania, we wczesnych symulacjach ich ilość wynosiła maksymalnie kilkaset. Dzięki temu maleje potrzeba stosowania przybliżeń, co pozwala na dokładniejsze modelowanie zjawisk astronomicznych, a przez to lepsze ich teoretyczne zrozumienie. Nowe obserwacje i odkrycia dokonywane przy pomocy najbardziej zaawansowanych przyrządów również zwiększą tą dokładność, a także pomogą w znalezieniu błędów w istniejących modelach.

Nowe narzędzia obserwacyjne wchodzące do użytku mogą zrewolucjonizować naszą wiedzę o kosmosie. Radioteleskop Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, największy zrealizowany dotąd projekt astronomiczny, oraz Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który zostanie umieszczony na orbicie w 2018 roku, przyjrzą się chmurom gazu i pyłu by wyjaśnić tajemnicę formowania się gwiazd. Będą również w stanie dostrzec proto-galaktyki, które powstały gdy wiek wszechświata wynosił zaledwie 5% obecnego. Obserwacje te znacząco zwiększą naszą wiedzę na temat tworzenia się galaktyk.

References

• Bouché N, Murphy MT, Kacprzak GG et al. (2013) Signatures of Cool Gas Fueling a Star-Forming Galaxy at Redshift 2.3. Science 341: 50–53. doi: 10.1126/science.1234209
• Van der Marel RP, Besla G, Cox TJ, Sohn ST, Anderson J (2012) The M31 Velocity Vector. III. Future Milky Way M31-M33 Orbital Evolution, Merging, and Fate of the Sun. Astrophysical Journal 753: 9. doi: 10.1088/0004-637X/753/1/9
• Zitrin A, Labbe I, Belli S et al. (2015) Lyman-alpha Emission from a Luminous z = 8.68 Galaxy: Implications for Galaxies as Tracers of Cosmic Reionization. Astrophysical Journal of Letters 810: L12. doi: 10.1088/2041-8205/810/1/L12

Web References

• w1 – Na stronie internetowej teleskopu Hubble’a znajduje się wiele informacji na temat galaktyk z poprzeczką i ewolucji galaktyk.
• w2 – Blog Preposterous Universe szczegółowo omawia rozproszone galaktyki.

Resources

• Artykuły na temat ciemnej materii:
  • Boffin H (2008) Intelligence is of secondary importance in research. Science in School 10: 14. 
  • Warmbein B (2007) Czynienie ciemnej materii nieco jaśniejszej. Science in School 5. 
• Artykuły poświęcone narodzinom i ewolucji gwiazd:
  • Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fuzja we Wszechświecie: wszyscy pochodzimy z pyłu gwiezdnego. Science in School 4.
  • Lopes A, Boffin H (2009) The first light in the Universe. Science in School 13: 48. 
  • Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fuzja we Wszechświecie: skąd pochodzi twoja biżuteria. Science in School 5. 
• Ten film to jedna z wielu wspaniałych symulacji powstawania galaktyk, jakie można znaleźć w sieci.
• Dowiedz się więcej o przyszłej kolizji Drogi Mlecznej z galaktyką Andromedy dzięki tej niesamowitej wizualizacji tego zdarzenia. 
• Więcej informacji na temat Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array Observatory, można znaleźć na stronie
  • www.almaobservatory.org
  • Mignone C, Pierce-Price D (2010) Obserwatorium astronomiczne ALMA – kosmos ledwie o krok dalej. Science in School 15. 
• Pod tym linkiem można znaleźć więcej informacji na temat Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webb’a.
• Odkryj Projekt Illustris, bardzo ambitną symulację prezentującą efekt ewolucji ciemnej materii i galaktyk.
• Nie przegapcie szansy wspomożenia nauki obywatelskiej! Poprzez stronę Galaxy Zoo każdy może pomóc astronomom w katalogowaniu galaktyk.

Institutions

Author(s)

Francesca Iannuzzi przez 6 lat zajmowała się astrofizyką obliczeniową w monachijskim Instytucie Astrofizyki Maxa Plancka. Jej głównym obszarem badań były kosmologiczne symulacje powstawania struktur. W późniejszym okresie pracowała nad dynamicznymi symulacjami izolowanych galaktyk dyskowych w Centre National de la Recherche Scientifique w Marsylii. Obecnie zajmuje się badaniami i rozwojem w dziedzinie przetwarzania języka naturalnego.

Susan Watt pracuje jako pisarz naukowy – freelancer oraz edytor. Studiowała nauki przyrodnicze na Uniwersytecie Cambridge w Zjednoczonym Królestwie. Pracowała dla licznych wydawnictw i organizacji naukowych. Interesuje się zwłaszcza filozofią nauki oraz edukacją naukową.

Review

Artykuł ten omawia pochodzenie i ewolucję galaktyk. Może zostać użyty do pogłębienia wiedzy uczniów na temat Wszechświata.

Przed jego przeczytaniem, nauczyciel może poprosić uczniów o odpowiedź na poniższe pytania, co wprowadzi ich w temat i zachęci do namysłu nad pojęciami objaśnianymi w tekście:

• Jak nazywa się nasza galaktyka?
• Czy wszystkie galaktyki mają ten sam kształt i wielkość?
• Jak według ciebie powstają galaktyki?
• Co może sprawić, że galaktyka zacznie ewoluować?

W końcu, artykuł ten może stanowić punkt wyjścia do dyskusji na temat potrzeby rozwoju narzędzi obserwacyjnych, dzięki którym polepszy się nasza wiedza o kosmosie. Uczniowie powinni być świadomi tego, że w nauce teorie uznawane za obowiązujące to po prostu najlepsze na obecną chwilę wyjaśnienia jakiegoś zjawiska. Odkrycie nowych faktów, niepasujących do obecnej teorii, może wymusić konieczność jej rewizji.

Mireia Güell Serra, Hiszpania

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF