Při pohledu na temnou noční oblohu vidíte hvězdy roztroušené do všech stran. Možná jich je tu více než tam, ale obecně jsou hvězdy na noční obloze rozmístěny víceméně rovnoměrně.
Pokud se však ocitnete na obzvláště tmavém místě, uvidíte na obloze slabý světelný pruh. A pokud byste namířili dalekohled ve směru tohoto pásu, spatřili byste mnohem více hvězd.
Jako první to učinil italský vědec Galileo Galilei, čímž potvrdil více než 2000 let starý názor, že pás, který se po tisíciletí nazýval „Mléčná dráha“ z řeckého galaxías kýklos, se skládá z nesčetných vzdálených hvězd.
Začala se formovat myšlenka, že Sluneční soustava se nachází ve zploštělém chuchvalci hvězd, protože při pohledu podél tohoto „disku“ je vidět hojnost hvězd, zatímco při pohledu směrem od disku je jich vidět méně.
Kromě hvězd byla pozorována řada rozmazaných skvrn, o kterých se zprvu předpokládalo, že leží uvnitř Mléčné dráhy. Lidé se jednoduše domnívali, že Mléčná dráha je vše, co existuje – je to celý vesmír. Německý filozof Immanuel Kant však navrhl, že Mléčná dráha je pouze náš vesmír, zatímco mlhavé skvrny – neboli mlhoviny – jsou vzdálené „ostrovní vesmíry“, daleko od toho našeho.
V té době byly takové úvahy pouhými spekulacemi, ale po zavedení fotoaparátu a velkých dalekohledů si astronomové právě před 100 lety uvědomili, že naše galaxie – které se dnes říká ostrovní vesmíry – je jen jednou ze zdánlivě nekonečného množství shluků hvězd, které obíhají kolem sebe a drží je pohromadě gravitační síla.
Zatímco vzdálenost mezi hvězdami uvnitř galaxie je obvykle několik světelných let, vzdálenosti mezi galaxiemi se měří v milionech světelných let. Mezi galaxiemi není v podstatě nic – přibližně 1 atom na metr krychlový.
Nejmenší galaxie hostí několik milionů hvězd, zatímco ty největší zahrnují biliony. Mléčná dráha, kterou lze považovat za typickou galaxii, obsahuje několik set miliard hvězd.
V tomto článku vysvětlím, co je to galaxie, z čeho se skládá a jaké různé druhy existují. V některém z následujících článků ScienceNordic se podíváme na to, jak galaxie vůbec vznikly.
Z čeho se galaxie skládají?
Jako stavební kámen galaxií lze uvést pět nebo šest věcí: hvězdy, plyn, prach, supermasivní černé díry, temnou hmotu a třeba planety.
Hvězd, jak bylo nastíněno výše, je velké množství. Hvězdy žijí dlouho, ale ne věčně. Když vyčerpají své palivo a zemřou, zanechají po sobě bílé trpaslíky, neutronové hvězdy nebo černé díry.
Ačkoli jsou to obecně hvězdy, které nám umožňují vidět galaxie, ve skutečnosti tvoří jen malý zlomek celkové hmotnosti galaxie.
Hvězdy jsou tvořeny plynem, ale i mezi hvězdami – v tzv. mezihvězdném prostředí – se nachází velké množství plynu.
V malých galaxiích může být mezihvězdného plynu stejně jako plynu hvězd, zatímco s velikostí galaxie tento podíl klesá.
Mezihvězdné prostředí se dělí na různé fáze. Některé oblasti jsou difúzní a extrémně horké, s teplotami milionů stupňů. V těchto oblastech je plyn ionizovaný, což znamená, že většina atomů má v důsledku vysoké teploty odtržený jeden nebo více elektronů.
Další oblasti jsou hustší a chladnější, kolem 10 000 K. V těchto oblastech se nachází i několik dalších atomů.
Čím je plyn teplejší, tím vyšší je v něm tlak a tím více se rozpíná (jedná se o stejný mechanismus, díky němuž stoupá horkovzdušný balón).
Proti tomu, pokud se plyn výrazně ochladí (přibližně na 100 stupňů Kelvina neboli -170 °C), vznikají velmi hustá a chladná molekulární mračna. Zde vznikají nové hvězdy!“
Při velkém třesku vznikly prakticky jen atomy vodíku a helia, o čemž jsem více psal v článku Velký třesk – očité svědectví.
Když však hvězdy vyhoří a zemřou, vrátí část svého plynu do mezihvězdného prostředí – jenže nyní je znečištěn těžšími prvky (které astronomové láskyplně zobecňují a nazývají je všechny „kovy“, i když to chemikům může znít nesouhlasně).
Dnes se asi dvě procenta celkové hmotnosti plynu proměnila v kovy a asi třetina těchto kovů se shlukla do prachu.
Planety – zanedbatelná část galaxie
Když se zrodí hvězda, vytvoří se kolem ní disk plynu a prachu. Prach se může shlukovat a vytvářet horniny, které zase vytvářejí větší horniny, jež nakonec mohou skončit jako planety.
V celkovém rozpočtu hmoty hrají planety mizivě malou roli, ale pro existenci života jsou pravděpodobně nezbytné, takže jsou přesto docela zajímavé.
Od objevu prvních planet mimo naši Sluneční soustavu před pouhými 25 lety je zřejmé, že většina hvězd má planety. Nyní víme o více než 4 000 exoplanetách (tj. planetách obíhajících kolem jiných hvězd, než je naše Slunce).
Supermasivní černé díry a temná hmota
V centru většiny galaxií se nachází „supermasivní černá díra“. Tyto černé díry mohou vážit miliony nebo miliardy hmotností Slunce (v astronomii je vše tak hmotné, že měření věcí v gramech nebo kilogramech se stává nepraktickým, takže místo toho používáme hmotnosti Slunce, což je přibližně totéž jako dvě miliardy miliard bilionů kilogramů).
Gravitačně je jejich příspěvek ve srovnání se zbytkem galaxie spíše zanedbatelný, ale černá může na chvíli vytvořit „aktivní galaktické jádro“ neboli kvazar, který může z galaxie vyfouknout podstatnou část hmoty.
Někdy mohou tyto kvazary vyprázdnit z galaxie plyn v takové míře, že uhasí vznik nových hvězd.
To, o čem jsme dosud slyšeli, však tvoří jen asi 1/6 celkové hmotnosti. Většinu hmoty galaxie ve skutečnosti tvoří něco úplně jiného, totiž temná hmota.
Temná hmota se od „normální“ hmoty liší tím, že interaguje pouze gravitačně. To znamená, že na ni nepůsobí ani elektromagnetické, ani jaderné síly, takže nemůže vyzařovat světlo a nemůže se srážet s jinými věcmi.
Právě proto, že nevyzařuje světlo, ji nazýváme temnou hmotou. Nemůžeme ji vidět; vidíme pouze její vliv na věci, které vidíme, protože gravitačně interaguje se svítící hmotou.
Normální hmota může vychladnout a stát se hustou galaxií, ale temná hmota se hůře shlukuje, a proto se nachází v mnohem větším „halo“ kolem viditelné části galaxie.
To, co vidíme jako galaxii, je ve skutečnosti jen zlomek toho, co galaxie ve skutečnosti je. Tento obrázek ukazuje přibližné rozměry složek Mléčné dráhy.
Galaxická zoo
Galaxie mají různé tvary a podobu, ale obecně je můžeme rozdělit do tří tříd:
- Spirálové galaxie
- Eliptické galaxie
- Nepravidelné galaxie
Všechny tyto třídy však mají podskupiny a některé galaxie jsou dokonce poněkud horségorie.
Vzhled galaxie se nazývá její morfologie. Pokud chceme studovat vývoj galaxií, je praktické je klasifikovat podle jejich typu, ale dost často je trochu subjektivní, jak byste galaxii morfologicky zařadili, protože mezi jednotlivými typy nejsou jasné hranice.
Pokud chcete astronomům pomoci s klasifikací galaxií, můžete navštívit stránky galaxyzoo.org a pomoci nám rozhodnout.
Ještě v loňském roce vedly výsledky tohoto astro-kroužkování astronomy k revizi našich představ o tom, jak se chovají ramena spirálních galaxií (viz tento videozáznam).
Podívejme se však na jednotlivé typy galaxií blíže.
Nádherné spirální galaxie
Podle mého názoru jsou spirální galaxie nejkrásnější. Vyznačují se načervenalou centrální „výduťí“ a řadou namodralých spirálních ramen ležících v plochém disku a majestátně rotují s periodou několika 100 milionů let.
Ve spirálních ramenech se nachází jen asi 2-3krát více hvězd než mezi nimi, ale protože v těchto oblastech probíhá aktivní tvorba hvězd, jsou mnohem jasnější. Protože se zde stále nacházejí masivní hvězdy – které září modrým světlem, ale rychle vyhořívají – ramena se jeví modrá.
Přibližně dvě třetiny spirálních galaxií mají tyčovitou strukturu, která se táhne od výduti. Tento pruh je pravděpodobně jakousi hustotní vlnou, stejně jako spirální ramena, schopnou „nasávat“ plyn z okolních spirálních ramen, který pak může být využit k výrobě nových hvězd.
Tento plyn může také živit supermasivní černou díru v centru galaxie, díky čemuž se z ní stane aktivní galaktické jádro nebo kvazar.
Giants of the Universe: Eliptické galaxie
Eliptické galaxie jsou podle našeho názoru výsledkem splynutí mnoha menších (proto-) galaxií. Během těchto srážek se nejprve prudce zvýší rychlost tvorby hvězd a pozorujeme jeden nebo několik „hvězdných výbuchů“.
Burzovní tvorba hvězd může vyčerpat většinu plynu najednou. Samotná srážka i hvězdný vítr a supernovy vyfouknou zbytek plynu, takže vznik nových hvězd se ztíží. Zůstanou tedy jen staré hvězdy, a protože staré hvězdy jsou červenooranžové, takovou barvu má většina eliptických galaxií.
Toto takzvané zhášení tedy za sebou zanechává červené a „mrtvé“ galaxie.
Největší galaxie ve vesmíru jsou eliptické, s hmotnostmi až desetkrát většími než Mléčná dráha. Tato galaktická monstra často sídlí v centru velkých kup galaxií, tj. souborů stovek či tisíců galaxií, které drží pohromadě gravitace.
… a pak jsou tu všechny ostatní typy galaxií
Některé galaxie, zejména ty menší, nejsou ani eliptické, ani diskovité, ale mají zcela jiný tvar. Tyto galaxie se nazývají nepravidelné galaxie.
Nepravidelný tvar je často způsoben srážkami nebo téměř srážkami s jinými galaxiemi.
Nepravidelné galaxie jsou obvykle malé, protože větší galaxie jsou lépe vybaveny, aby odolaly otřesům a míchání jinými galaxiemi.
Dalším typem jsou čočkovité galaxie, jakási kombinace mezi eliptickými a spirálními:
Čím je galaxie větší a hmotnější, tím je méně častá. Většina galaxií jsou tedy trpasličí galaxie, které pak můžeme dále rozdělit na trpasličí spirální galaxie, trpasličí eliptické galaxie, trpasličí nepravidelné galaxie a trpasličí sférické galaxie.
Kruhové galaxie mají stejně jako spirální galaxie výduť a větší hvězdnou prstencovou strukturu. Mohly vzniknout tak, že jiná galaxie prolétla přímo skrz spirální galaxii, ale jsou velmi vzácné, a proto nejsou příliš prozkoumané.
Nedávno astronomové objevili dosud nejvzdálenější z těchto zvláštních galaxií s důkazy o kosmickém „nárazu a útěku“, který se odehrál před 11 miliardami let.
Jak tyto záhadné shluky hvězd, plynu, prachu a temné hmoty vůbec vznikly, je delší příběh, o kterém si budete moci přečíst více v navazujícím článku zde na ScienceNordic.
Přečtěte si dánskou verzi na webu Videnskab.dk Forskerzonen. Děkuji Guarnu Nissenovi za návrhy a úpravy při překladu textu z dánštiny do angličtiny.
Profil Petera Laursena (Niels Bohr Institute, University of Copenhagen)
Hlavní stránka Petera Laursena
‚The Evolving Interstellar Medium of Star-forming Galaxies since z = 2 as Probed by Their Infrared Spectral Energy Distributions‘, The Astrophysical Journal (2012), DOI: 10.1088/0004-637X/760/1/6
„The dust-to-gas and dust-to-metal ratio in galaxies from z = 0 to 6“, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz2684
‚Galaxy Zoo: unwinding the winding problem – observations of spiral bulge prominence and arm pitch angles suggest local spiral galaxies are winding‘, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz1153
„Tracing the Stellar Mass in M51“, Astrophysical Journal (1993), DOI: 10.1086/173376
„A giant galaxy in the young Universe with a massive ring“, Nature Astronomy (2020), DOI: 10.1038/s41550-020-1102-7
.