Die lewe van sterrestelsels en die geskiedenis van hul studie

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Die geskiedenis van die studie van planete en sterre word gemeet in millennia, die Son, komete, asteroïdes en meteoriete – in eeue. Maar sterrestelsels, wat oor die heelal versprei is, groepe sterre, kosmiese gas en stofdeeltjies, het eers in die 1920's die voorwerp van wetenskaplike navorsing geword.

Sterrestelsels is al van ouds af waargeneem. 'n Persoon met skerp sig kan ligte kolle in die naghemel onderskei, soortgelyk aan druppels melk. In die 10de eeu het die Persiese sterrekundige Abd-al-Raman al-Sufi in sy Book of Fixed Stars twee soortgelyke kolle genoem, nou bekend as die Groot Magellaanse Wolk en die sterrestelsel M31, oftewel Andromeda.

Met die koms van teleskope het sterrekundiges al hoe meer van hierdie voorwerpe, wat newels genoem word, waargeneem. As die Engelse sterrekundige Edmund Halley in 1716 net ses newels gelys het, dan bevat die katalogus wat in 1784 deur die Franse vlootsterrekundige Charles Messier gepubliseer is, reeds 110 – en onder hulle vier dosyn werklike sterrestelsels (insluitend M31).

In 1802 het William Herschel 'n lys van 2 500 newels gepubliseer, en sy seun John het in 1864 'n katalogus van meer as 5 000 newels gepubliseer.

Ons naaste buurman, die Andromeda-sterrestelsel (M31), is een van die gunsteling hemelvoorwerpe vir amateur-astronomiese waarnemings en fotografie.

Die aard van hierdie voorwerpe het lankal begrip ontwyk. In die middel van die 18de eeu het sommige oordeelkundige geeste in hulle sterstelsels soortgelyk aan die Melkweg gesien, maar teleskope het destyds nie 'n geleentheid gebied om hierdie hipotese te toets nie.

’n Eeu later het die mening geheers dat elke newel’n gaswolk is wat van binne deur’n jong ster verlig word. Later was sterrekundiges oortuig dat sommige newels, insluitend Andromeda, baie sterre bevat, maar dit was lank nie duidelik of hulle in ons Melkweg of verder geleë is nie.

Dit was eers in 1923-1924 dat Edwin Hubble vasgestel het dat die afstand van die Aarde na Andromeda minstens drie keer die deursnee van die Melkweg was (trouens ongeveer 20 keer) en dat M33, nog 'n newel uit die Messier-katalogus, geen minder ver van ons af afstand. Hierdie resultate was die begin van 'n nuwe wetenskaplike dissipline - galaktiese sterrekunde.

In 1926 het die beroemde Amerikaanse sterrekundige Edwin Powell Hubble sy klassifikasie van sterrestelsels volgens hul morfologie voorgestel (en in 1936 gemoderniseer). As gevolg van sy kenmerkende vorm, word hierdie klassifikasie ook die "Hubble-stemvurk" genoem.

Op die "stam" van die stemvurk is daar elliptiese sterrestelsels, op die tande van die vurk - lensvormige sterrestelsels sonder moue en spiraalstelsels sonder 'n staafbrug en met 'n staaf. Sterrestelsels wat nie as een van die gelyste klasse geklassifiseer kan word nie, word onreëlmatig of onreëlmatig genoem.

Dwerge en reuse

Die heelal is gevul met sterrestelsels van verskillende groottes en massas. Hulle aantal is baie ongeveer bekend. In 2004 het die Hubble- wentelteleskoop ongeveer 10 000 sterrestelsels in drie en 'n half maande ontdek en in die suidelike sterrebeeld Fornax 'n gebied van die lug geskandeer wat honderd keer kleiner is as die oppervlakte van die maanskyf.

As ons aanneem dat sterrestelsels met dieselfde digtheid oor die hemelsfeer versprei is, blyk dit dat daar 200 miljard in die waargenome ruimte is. Hierdie skatting word egter baie onderskat, aangesien die teleskoop nie in staat was om 'n groot aantal baie dowwe sterrestelsels op te spoor nie..

Vorm en inhoud

Sterrestelsels verskil ook in morfologie (dit wil sê in vorm). Oor die algemeen word hulle in drie hoofklasse verdeel - skyfvormig, ellipties en onreëlmatig (onreëlmatig). Dit is 'n algemene klassifikasie, daar is baie meer gedetailleerde.

Sterrestelsels is glad nie lukraak in die buitenste ruimte versprei nie. Massiewe sterrestelsels word dikwels omring deur klein satellietsterrestelsels. Beide ons Melkweg en naburige Andromeda het ten minste 14 satelliete, en heel waarskynlik is daar baie meer. Sterrestelsels hou daarvan om in pare, drieling en groter groepe van dosyne gravitasiegebonde vennote te verenig.

Die groter assosiasies, sterrestelselswerms, bevat honderde en duisende sterrestelsels (die eerste van sulke trosse is deur Messier ontdek). Soms word 'n besonder helder reuse-sterrestelsel in die middel van die sterrestelsel waargeneem, wat vermoedelik tydens die samesmelting van kleiner sterrestelsels ontstaan het.

En laastens is daar ook superswerms, wat beide sterrestelselswerms en -groepe insluit, en individuele sterrestelsels. Gewoonlik is dit langwerpige strukture tot honderde megaparsek lank. Hulle word geskei deur byna heeltemal sterrestelselvrye ruimteruimtes van dieselfde grootte.

Superclusters is nie meer georganiseer in enige strukture van 'n hoër orde nie en is op 'n ewekansige wyse deur die Kosmos versprei. Om hierdie rede, op 'n skaal van 'n paar honderd megaparsek, is ons Heelal homogeen en isotroop.

’n Skyfvormige sterrestelsel is’n ster-pannekoek wat om’n as draai wat deur sy geometriese middelpunt gaan. Gewoonlik is daar aan beide kante van die sentrale sone van die pannekoek 'n ovaal bult (van die Engelse bult). Die bult roteer ook, maar met 'n laer hoeksnelheid as die skyf. In die vlak van die skyf word spiraaltakke dikwels waargeneem, wat volop is in relatief jong helder ligte. Daar is egter galaktiese skywe sonder 'n spiraalstruktuur, waar daar baie minder sulke sterre is.

Die sentrale sone van 'n skyfvormige sterrestelsel kan deur 'n sterstaaf gesny word - 'n staaf. Die spasie binne die skyf is gevul met 'n gas- en stofmedium - die bronmateriaal vir nuwe sterre en planetêre stelsels. Die sterrestelsel het twee skywe: sterre en gasvormig.

Hulle word omring deur 'n galaktiese stralekrans - 'n sferiese wolk van verskeurde warm gas en donker materie, wat die hoofbydrae tot die totale massa van die sterrestelsel maak. Die stralekrans bevat ook individuele ou sterre en bolvormige sterreswerms (bolvormige swerms) tot 13 miljard jaar oud. In die middel van byna enige skyfvormige sterrestelsel, met of sonder 'n bult, is daar 'n supermassiewe swart gat. Die grootste sterrestelsels van hierdie tipe bevat elk 500 miljard sterre.

Melkweg

Die son wentel om die middel van 'n doodgewone spiraalsterrestelsel, wat 200-400 miljard sterre insluit. Sy deursnee is ongeveer 28 kiloparsek (net meer as 90 ligjare). Die radius van die son-intragalaktiese wentelbaan is 8,5 kiloparsecs (sodat ons ster verplaas word na die buitenste rand van die galaktiese skyf), die tyd van 'n volledige omwenteling om die middel van die Melkweg is ongeveer 250 miljoen jaar.

Die bult van die Melkweg is ellipties van vorm en het 'n staaf wat onlangs ontdek is. In die middel van die bult is’n kompakte kern gevul met sterre van verskillende ouderdomme – van etlike miljoen jaar tot’n miljard en ouer. Binne die kern, agter digte stowwerige wolke, lê’n taamlik beskeie swart gat volgens galaktiese standaarde – slegs 3,7 miljoen sonmassas.

Ons Melkweg spog met 'n dubbele sterskyf. Die binneskyf, wat nie meer as 500 parsecs vertikaal het nie, is verantwoordelik vir 95% van die sterre in die skyfsone, insluitend alle jong helder sterre. Dit word omring deur 'n buitenste skyf van 1 500 parsek dik, waar ouer sterre woon. Die gasvormige (meer presies, gas-stof) skyf van die Melkweg is ten minste 3,5 kiloparsecs dik. Die vier spiraalarms van die skyf is gebiede met verhoogde digtheid van die gasstofmedium en bevat die meeste van die massiefste sterre.

Die deursnee van die Melkweg se stralekrans is minstens twee keer die deursnee van die skyf. Ongeveer 150 bolvormige trosse is daar ontdek, en heel waarskynlik is nog sowat vyftig nog nie ontdek nie. Die oudste trosse is meer as 13 miljard jaar oud. Die stralekrans is gevul met donker materie met 'n klonterige struktuur.

Tot onlangs is geglo dat die stralekrans amper sferies is, maar volgens die jongste data kan dit aansienlik afgeplat word. Die totale massa van die Melkweg kan tot 3 biljoen sonmassas wees, met donker materie wat 90-95% uitmaak. Die massa van sterre in die Melkweg word geskat op 90-100 miljard keer die massa van die Son.

'n Elliptiese sterrestelsel, soos sy naam aandui, is ellipsvormig. Dit roteer nie as 'n geheel nie en het dus nie aksiale simmetrie nie. Sy sterre, wat meestal 'n relatief lae massa en aansienlike ouderdom het, wentel om die galaktiese middelpunt in verskillende vlakke en soms nie individueel nie, maar in hoogs langwerpige kettings.

Nuwe ligte in elliptiese sterrestelsels lig selde op weens 'n tekort aan grondstowwe - molekulêre waterstof.

Soos mense is sterrestelsels saam gegroepeer. Ons Plaaslike Groep sluit die twee grootste sterrestelsels in die omgewing van ongeveer 3 megaparsecs in - die Melkweg en Andromeda (M31), die Driehoek-sterrestelsel, sowel as hul satelliete - die Groot en Klein Magellaanse Wolke, dwergsterrestelsels in Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix, en vele ander - altesaam sowat vyftig. Die plaaslike groep is op sy beurt 'n lid van die plaaslike Maagd-supercluster.

Sowel die grootste as die kleinste sterrestelsels is van die elliptiese tipe. Die totale aandeel van sy verteenwoordigers in die galaktiese bevolking van die Heelal is slegs sowat 20%. Hierdie sterrestelsels (met die moontlike uitsondering van die kleinste en vaagstes) versteek ook supermassiewe swart gate in hul sentrale sones. Elliptiese sterrestelsels het ook halo's, maar nie so duidelik soos dié van skyfvormige sterrestelsels nie.

Alle ander sterrestelsels word as onreëlmatig beskou. Hulle bevat baie stof en gas en produseer aktief jong sterre. Daar is min sulke sterrestelsels op matige afstande van die Melkweg af, slegs 3%.

Onder voorwerpe met 'n groot rooiverskuiwing, waarvan die lig nie later nie as 3 miljard jaar ná die Oerknal uitgestraal is, neem hul aandeel egter skerp toe. Blykbaar was alle sterstelsels van die eerste generasie klein en het onreëlmatige buitelyne gehad, en groot skyfvormige en elliptiese sterrestelsels het heelwat later ontstaan.

Geboorte van sterrestelsels

Sterrestelsels is kort ná sterre gebore. Daar word geglo dat die eerste ligte nie later nie as 150 miljoen jaar ná die Oerknal geflits het. In Januarie 2011 het 'n span sterrekundiges wat inligting van die Hubble-ruimteteleskoop verwerk het, die waarskynlike waarneming van 'n sterrestelsel gerapporteer waarvan die lig 480 miljoen jaar na die Oerknal die ruimte ingegaan het.

In April het’n ander navorsingspan’n sterrestelsel ontdek wat, na alle waarskynlikheid, reeds ten volle gevorm was toe die jong heelal sowat 200 miljoen jaar oud was.

Die voorwaardes vir die geboorte van sterre en sterrestelsels het ontstaan lank voordat dit begin het. Toe die heelal die 400 000 jaar merk verby is, is plasma in die buitenste ruimte vervang deur 'n mengsel van neutrale helium en waterstof. Hierdie gas was nog te warm om saam te smelt in die molekulêre wolke wat aanleiding gee tot sterre.

Dit was egter aangrensend aan deeltjies van donker materie, wat aanvanklik nie heeltemal eweredig in die ruimte versprei is nie - waar dit 'n bietjie digter is, waar dit meer skaars is. Hulle het nie interaksie met die barioniese gas gehad nie en het daarom, onder die werking van wedersydse aantrekkingskrag, vrylik ineengestort in sones van verhoogde digtheid.

Volgens modelberekeninge het wolke donker materie die grootte van die huidige sonnestelsel binne 'n honderd miljoen jaar ná die Oerknal in die ruimte gevorm. Hulle het gekombineer in groter strukture, ten spyte van die uitbreiding van ruimte. Dit is hoe die trosse donker materiewolke ontstaan het, en toe die trosse van hierdie trosse. Hulle het ruimtegas ingesuig, sodat dit verdik en ineenstort.

Op hierdie manier het die eerste supermassiewe sterre verskyn, wat vinnig in supernovas ontplof het en swart gate agtergelaat het. Hierdie ontploffings het die ruimte verryk met elemente swaarder as helium, wat gehelp het om die ineenstortende gaswolke af te koel en dus die verskyning van minder massiewe tweedegenerasiesterre moontlik gemaak het.

Sulke sterre kon reeds vir miljarde jare bestaan en kon dus (weereens met behulp van donker materie) gravitasiegebonde sisteme vorm. Dit is hoe langlewende sterrestelsels ontstaan het, insluitend ons s'n.

"Baie van die besonderhede van galaktogenese is steeds in die mis versteek," sê John Kormendy. - Dit geld veral vir die rol van swart gate. Hul massas wissel van tienduisende sonmassas tot die huidige absolute rekord van 6,6 miljard sonmassas, wat aan 'n swart gat behoort vanaf die kern van die elliptiese sterrestelsel M87, wat 53,5 miljoen ligjare van die Son geleë is.

Gate in die middelpunte van elliptiese sterrestelsels word gewoonlik omring deur bulte wat uit ou sterre bestaan. Spiraalstelsels het dalk glad nie bulte nie of het hul plat ooreenkomste, pseudo-bulte. Die massa van 'n swart gat is gewoonlik drie ordes van grootte minder as die massa van die bult - natuurlik, as dit teenwoordig is. Hierdie patroon word bevestig deur waarnemings wat gate bedek met 'n massa van 'n miljoen tot 'n biljoen sonmassas."

Volgens professor Kormendy kry galaktiese swart gate massa op twee maniere. Die gat, omring deur 'n volwaardige bult, groei as gevolg van die absorpsie van gas wat vanaf die buitenste sone van die sterrestelsel na die bult kom. Tydens die samesmelting van sterrestelsels neem die intensiteit van die invloei van hierdie gas skerp toe, wat uitbarstings van kwasars inisieer.

As gevolg hiervan ontwikkel bulte en gate parallel, wat die korrelasie tussen hul massas verklaar (ander, nog onbekende meganismes kan egter ook werk).

Navorsers van die Universiteit van Pittsburgh, UC Irvine en die Atlantiese Universiteit van Florida het die botsing van die Melkweg en die voorganger van die Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy (SagDEG) in Boogskutter gemodelleer.

Hulle het twee opsies vir botsings ontleed - met 'n maklike (3x10¹⁰sonmassas) en swaar (10¹¹ sonmassas) SagDEG. Die figuur toon die resultate van 2,7 miljard jaar se evolusie van die Melkweg sonder interaksie met 'n dwergsterrestelsel en met interaksie met die ligte en swaar variant van SagDEG.

Kale-vrye sterrestelsels en sterrestelsels met pseudo-bulte is 'n ander saak. Die massas van hul gate oorskry gewoonlik nie 104-106 sonmassas nie. Volgens professor Kormendy word hulle met gas gevoed as gevolg van willekeurige prosesse wat naby die gat plaasvind, en strek nie oor die hele sterrestelsel nie. So 'n gat groei ongeag die evolusie van die sterrestelsel of sy pseudo-bult, wat die gebrek aan korrelasie tussen hul massas verklaar.

Groeiende sterrestelsels

Sterrestelsels kan beide in grootte en massa toeneem. “In die verre verlede het sterrestelsels dit baie meer doeltreffend gedoen as in onlangse kosmologiese eras,” verduidelik Garth Illingworth, professor in sterrekunde en astrofisika aan die Universiteit van Kalifornië, Santa Cruz. - Die geboortetempo van nuwe sterre word geskat in terme van die jaarlikse produksie van 'n eenheidsmassa stermateriaal (in hierdie hoedanigheid, die massa van die Son) per eenheidsvolume van die buitenste ruimte (gewoonlik 'n kubieke megaparsek).

Ten tyde van die vorming van die eerste sterrestelsels was hierdie syfer baie klein, en het toe vinnig begin groei, wat voortgeduur het totdat die Heelal 2 miljard jaar oud was. Vir nog 3 biljoen jaar was dit relatief konstant, het toe amper in verhouding tot die tyd begin daal, en hierdie afname duur tot vandag toe. So 7-8 miljard jaar gelede was die gemiddelde tempo van stervorming 10-20 keer hoër as die huidige een. Die meeste waarneembare sterrestelsels was reeds volledig gevorm in daardie verre tydperk."

Die figuur toon die resultate van evolusie op verskillende tye - die aanvanklike konfigurasie (a), na 0, 9 (b), 1, 8 © en 2, 65 miljard jaar (d). Volgens modelberekeninge kon die staaf en spiraalarms van die Melkweg gevorm het as gevolg van botsings met SagDEG, wat aanvanklik 50-100 miljard sonmassas getrek het.

Twee keer het dit deur die skyf van ons Melkweg gegaan en van sy materie (beide gewone en donker) verloor, wat versteurings van sy struktuur veroorsaak het. Die huidige massa van SagDEG oorskry nie tienmiljoene sonmassas nie, en die volgende botsing, wat nie later nie as 100 miljoen jaar later verwag word, sal heel waarskynlik die laaste daarvoor wees.

In algemene terme is hierdie tendens verstaanbaar. Sterrestelsels groei op twee hoof maniere. Eerstens verkry hulle vars sterrebarsmateriaal deur gas- en stofdeeltjies uit die omliggende ruimte in te trek. Vir etlike miljarde jaar ná die Oerknal het hierdie meganisme behoorlik gewerk bloot omdat daar genoeg ster-grondstof in die ruimte vir almal was.

Toe, toe reserwes uitgeput was, het die koers van stergeboorte gedaal. Sterrestelsels het egter die vermoë gevind om dit deur botsings en samesmeltings te vergroot. Dit is waar, om hierdie opsie te verwesenlik, moet die botsende sterrestelsels 'n ordentlike voorraad interstellêre waterstof hê. Vir groot elliptiese sterrestelsels, waar dit feitlik weg is, help samesmelting nie, maar in skyfvormige en onreëlmatige sterrestelsels werk dit.

Botsingskoers

Kom ons kyk wat gebeur wanneer twee ongeveer identiese skyftipe sterrestelsels saamsmelt. Hul sterre bots amper nooit nie – die afstande tussen hulle is te groot. Die gasskyf van elke sterrestelsel ondervind egter getykragte as gevolg van die swaartekrag van sy buurman. Die barioniese materie van die skyf verloor 'n deel van die hoekmomentum en skuif na die middel van die sterrestelsel, waar toestande vir 'n plofbare groei in die tempo van stervorming ontstaan.

Van hierdie stof word deur swart gate geabsorbeer, wat ook massa optel. In die finale fase van die vereniging van sterrestelsels smelt swart gate saam, en die sterskywe van albei sterrestelsels verloor hul vorige struktuur en is in die ruimte versprei. Gevolglik word een elliptiese vorm uit 'n paar spiraalsterrestelsels gevorm. Maar dit is geensins die volledige prentjie nie. Straling van jong helder sterre kan van die waterstof uit die pasgebore sterrestelsel blaas.

Terselfdertyd dwing die aktiewe aanwas van gas op die swart gat laasgenoemde van tyd tot tyd om strale van enorme energiedeeltjies die ruimte in te skiet, wat gas regdeur die sterrestelsel verhit en sodoende die vorming van nuwe sterre voorkom. Die sterrestelsel word geleidelik stil – heel waarskynlik vir altyd.

Sterrestelsels van verskillende groottes bots verskillend.’n Groot sterrestelsel is in staat om’n dwergsterrestelsel in te sluk (op een slag of in verskeie stappe) en terselfdertyd sy eie struktuur te bewaar. Hierdie galaktiese kannibalisme kan ook stervorming stimuleer.

Die dwergsterrestelsel word heeltemal vernietig en laat kettings van sterre en strale kosmiese gas agter, wat beide in ons Melkweg en in die naburige Andromeda waargeneem word. As een van die botsende sterrestelsels nie te verhewe bo die ander is nie, is selfs meer interessante effekte moontlik.

Wag vir die superteleskoop

Galaktiese sterrekunde het byna 'n eeu oorleef. Sy het feitlik van voor af begin en baie bereik. Die aantal onopgeloste probleme is egter baie groot. Wetenskaplikes verwag baie van die James Webb Infrared Orbiting Telescope, wat na verwagting in 2021 gelanseer sou word.