A sötét éjszakai égboltot bámulva minden irányban szétszórt csillagokat látsz. Lehet, hogy itt egy kicsit több van, mint ott, de általában a csillagok többé-kevésbé egyenletesen oszlanak el az éjszakai égbolton.
Ha azonban egy különösen sötét helyen találod magad, akkor egy halvány fénysávot látsz az égen. Ha pedig ennek a sávnak az irányába irányítanánk a távcsövet, sokkal, de sokkal több csillagot látnánk.
Az olasz tudós, Galileo Galilei volt az első, aki ezt megtette, és ezzel megerősítette azt a több mint 2000 éves hiedelmet, hogy a sáv, amelyet évezredeken át a görög galaxías kýklos szóból “Tejútnak” neveztek, számtalan távoli csillagból áll.
Az az elképzelés kezdett kialakulni, hogy a Naprendszer egy lapos csillaghalmazban helyezkedik el, mert e “korong” mentén végigtekintve rengeteg csillagot látunk, míg a korongtól távolodva kevesebbet.
A csillagok mellett számos homályos foltot is láttak, amelyekről először azt gondolták, hogy a Tejútrendszer belsejében helyezkednek el. Az emberek egyszerűen azt hitték, hogy a Tejútrendszerben van minden, ami létezik – ez az egész Univerzum. Immanuel Kant német filozófus azonban azt javasolta, hogy a Tejútrendszer csupán a mi Univerzumunk, míg a homályos foltok – vagy ködök – távoli “szigetvilágok”, messze a miénktől.
Az ilyen gondolatok ekkor még csak spekulációk voltak, de a fényképezőgép és a nagy távcsövek megjelenésével a csillagászok alig 100 évvel ezelőtt rájöttek, hogy a mi galaxisunk – amit ma szigetuniverzumoknak neveznek – csak egy a látszólag végtelen számú, egymás körül keringő és a gravitáció ereje által összetartott csillaghalmazok közül.
Míg egy galaxison belül a csillagok közötti távolság jellemzően néhány fényév, addig a galaxisok közötti távolságokat fényévmilliókban mérik. A galaxisok között gyakorlatilag semmi sincs – köbméterenként körülbelül 1 atom.
A legkisebb galaxisokban néhány millió csillag található, míg a legnagyobbakban trilliónyi. A Tejútrendszer, amely tipikus galaxisnak tekinthető, néhány százmilliárd csillagot tartalmaz.
Ebben a cikkben elmagyarázom, mi az a galaxis, miből áll, és milyen különböző fajtái léteznek. Egy későbbi ScienceNordic-cikkben megvizsgáljuk, hogyan jöttek létre a galaxisok egyáltalán.
Miből állnak a galaxisok?
Öt-hat dologra lehet rámutatni, mint a galaxisok építőköveire: csillagok, gáz, por, szupermasszív fekete lyukak, sötét anyag és talán bolygók.
A csillagok, mint fentebb vázoltuk, bőségesen vannak. A csillagok sokáig élnek, de nem örökké. Ahogy elfogy az üzemanyaguk és elpusztulnak, fehér törpéket, neutroncsillagokat vagy fekete lyukakat hagynak maguk után.
De bár általában a csillagok teszik lehetővé, hogy lássuk a galaxisokat, valójában a galaxisok teljes tömegének csak egy kis töredékét teszik ki.
A csillagok gázból állnak, de a csillagok között – az úgynevezett csillagközi közegben – is nagy mennyiségű gáz tartózkodik.
A kis galaxisokban ugyanannyi csillagközi gáz lehet, mint csillaggáz, míg a galaxis méretével ez a hányad csökken.
A csillagközi közeg különböző fázisokra oszlik. Egyes régiók diffúzak és rendkívül forrók, több millió fokos hőmérsékletűek. Ezekben a régiókban a gáz ionizált, ami azt jelenti, hogy a legtöbb atomból egy vagy több elektron szakadt le a magas hőmérséklet miatt.
Más régiók sűrűbbek és hűvösebbek, 10 000 K körüliek.
Mennél melegebb a gáz, annál nagyobb a nyomás, és annál jobban tágul (ez ugyanaz a mechanizmus, ami a hőlégballont is felemelkedésre készteti).
Mivel ellentétben, ha a gáz jelentősen lehűl (körülbelül 100 Kelvin-fokra, azaz -170 °C-ra), nagyon sűrű és hideg molekulafelhők keletkeznek. Itt keletkeznek az új csillagok!
Az ősrobbanásban gyakorlatilag csak hidrogén- és héliumatomok jöttek létre, amiről bővebben írtam Az ősrobbanás – szemtanúi beszámoló című cikkben.
De amikor a csillagok kiégnek és elpusztulnak, gázuk egy részét visszaadják a csillagközi közegnek – csak most már nehezebb elemekkel szennyezett (amelyeket a csillagászok szeretettel általánosítva “fémeknek” neveznek, bár ez a kémikusok számára talán diszharmonikusan hangzik).
Mára a teljes gáztömegnek körülbelül két százaléka alakult át fémekké, és ezeknek a fémeknek körülbelül egyharmada halmozódott össze por formájában.
Bolygók – a galaxis elhanyagolható hányada
Amikor egy csillag születik, egy gázból és porból álló korong alakul ki körülötte. A por összecsomósodhat, kőzeteket alkotva, amelyek viszont nagyobb kőzeteket alkotnak, amelyek végül bolygóként végződhetnek.
A teljes tömegháztartásban a bolygóknak elenyészően kicsi a szerepük, de valószínűleg szükségesek az élet létezéséhez, ezért mégis elég izgalmasak.
Mióta alig 25 évvel ezelőtt felfedezték az első, Naprendszerünkön kívüli bolygókat, nyilvánvalóvá vált, hogy a legtöbb csillagnak vannak bolygói. Ma már több mint 4000 exobolygóról (azaz a Napunkon kívül más csillagok körül keringő bolygókról) tudunk.
Supermasszív fekete lyukak és a sötét anyag
A legtöbb galaxis középpontjában egy “szupermasszív fekete lyuk” található. Ezek a fekete lyukak a Nap tömegének több millió vagy milliárdszorosát is nyomhatják (a csillagászatban minden olyan masszív, hogy a dolgok grammban vagy kilogrammban való mérése nem praktikus, ezért ehelyett a Nap tömegét használjuk, ami körülbelül kétmilliárd milliárd billió trillió kilogrammnak felel meg).
Gravitációs szempontból a hozzájárulásuk meglehetősen jelentéktelen a galaxis többi részéhez képest, de egy időre a feketék létrehozhatnak egy “aktív galaktikus magot”, vagyis kvazárt, ami a galaxis anyagának jelentős részét képes kifújni a galaxisból.
Néha ezek a kvazárok olyan mértékben kiüríthetik a galaxist a gázból, hogy az új csillagok keletkezését is elfojtja.
Az eddig hallottak azonban csak a teljes tömeg kb. 1/6-át teszik ki. A galaxisok tömegének nagy része valójában valami egészen más, nevezetesen a sötét anyag.
A sötét anyag abban különbözik a “normál” anyagtól, hogy csak gravitációs kölcsönhatásban van. Ez azt jelenti, hogy sem elektromágneses, sem nukleáris erők nem hatnak rá, és nem is gyakorolnak rá, tehát nem tud fényt kibocsátani, és nem tud más dolgokkal ütközni.
Éppen azért nevezzük sötét anyagnak, mert nem bocsát ki fényt. Nem láthatjuk; csak azt a hatást látjuk, amit az általunk látható dolgokra gyakorol, ahogy gravitációs kölcsönhatásba lép a fényes anyaggal.
A normál anyag lehűlhet és sűrű galaxissá válhat, de a sötét anyag nehezebben tud összeállni, és ezért egy sokkal nagyobb “halóban” helyezkedik el a galaxis látható része körül.
Ezért amit mi galaxisnak látunk, az valójában csak egy töredéke annak, ami egy galaxis valójában. Ez az ábra a Tejútrendszer összetevőinek hozzávetőleges méreteit mutatja.
Galaxis állatkert
A galaxisok sokféle alakúak és megjelenésűek, de általában három osztályba sorolhatjuk őket:
- Spirálgalaxisok
- Elliptikus galaxisok
- Rendhagyó galaxisok
Mindegyik osztálynak vannak azonban alcsoportjai, sőt egyes galaxisok némileg hors catégorie.
A galaxis megjelenését morfológiának nevezzük. Ha a galaxisok fejlődését akarjuk tanulmányozni, praktikus a galaxisokat típusuk szerint osztályozni, de elég gyakran kissé szubjektív, hogy egy galaxist morfológiailag hogyan sorolnánk be, hiszen nincsenek egyértelmű határok a különböző típusok között.
Ha szeretnél segíteni a csillagászoknak a galaxisok osztályozásában, akkor látogass el a galaxyzoo.org oldalra, és segíts dönteni.
Még tavaly ennek az asztro-crowdsourcingnak az eredményei arra késztették a csillagászokat, hogy felülvizsgálják a spirálgalaxisok karjainak viselkedéséről alkotott elképzeléseinket (lásd ezt a videót).
De nézzük meg közelebbről a különböző galaxistípusokat.
A csodálatos spirálgalaxisok
Véleményem szerint a spirálgalaxisok a legszebbek. Vöröses, központi “dudor” és számos kékes színű, lapos korongban fekvő spirálkar jellemzi őket, fenségesen, néhány 100 millió éves periódusokkal forognak.
A spirálkarokban csak kb. 2-3-szor annyi csillag van, mint a köztük lévőben, de mivel ezekben a régiókban aktív csillagkeletkezés zajlik, sokkal fényesebbek. Mivel a masszív csillagok – amelyek kék fényben ragyognak, de gyorsan kiégnek – még mindig itt vannak, a karok kéknek tűnnek.
A spirálgalaxisok mintegy kétharmadának van egy sávszerű szerkezete, amely a dudorból nyúlik ki. A sáv valószínűleg egyfajta sűrűséghullám, akárcsak a spirálkarok, amelyek képesek “beszívni” a környező spirálkarokból a gázt, amelyből aztán új csillagok keletkezhetnek.
Ez a gáz táplálhat egy szupermasszív fekete lyukat is a galaxis közepén, így az aktív galaxismaggá vagy kvazárrá alakulhat.
Giants of the Universe: Elliptikus galaxisok
Az elliptikus galaxisok véleményünk szerint sok kisebb (proto-) galaxis összeolvadásának eredményei. Ezen ütközések során a csillagkeletkezési sebesség először drámaian megnő, és egy vagy több “csillagrobbanást” látunk.
A heves csillagkeletkezés a gáz nagy részét egy csapásra elszívhatja. Maga az ütközés, valamint a csillagszelek és a szupernóvák kifújják a maradék gázt, így az új csillagok keletkezése nehézkessé válik. Így csak a régi csillagok maradnak meg, és mivel a régi csillagok vörös-narancs színűek, ez a színe a legtöbb elliptikus galaxisnak.
Ez az úgynevezett kioltás tehát vörös és “halott” galaxist hagy maga után.
A legnagyobb galaxisok az Univerzumban elliptikusak, tömegük akár tízszerese is lehet a Tejútrendszerének. Ezek a galaktikus szörnyek gyakran nagy galaxishalmazok, azaz több száz vagy több ezer galaxisból álló, a gravitáció által összetartott halmazok középpontjában helyezkednek el.
… és akkor ott vannak a többi galaxistípusok
Néhány galaxis, különösen a kisebbek, nem elliptikusak és nem is korongosak, hanem teljesen más alakúak. Ezeket a galaxisokat szabálytalan galaxisoknak nevezzük.
A szabálytalan alakot gyakran más galaxisokkal való ütközések, vagy ütközésközeli ütközések okozzák.
A szabálytalan galaxisok jellemzően kicsik, mivel a nagyobb galaxisok jobban ellenállnak a más galaxisok által okozott rázkódásnak és keveredésnek.
A másik típus a lencsés galaxisok, amelyek egyfajta kombinációja az elliptikus és spirális galaxisoknak: Ezek némi spirális szerkezetet mutatnak, de egy világos elliptikus halót is.
Minél nagyobb és masszívabb egy galaxis, annál ritkább. A legtöbb galaxis tehát törpegalaxis, amelyeket aztán tovább kategorizálhatunk törpe spirálokra, törpe elliptikusokra, törpe szabálytalanokra és törpe gömbgalaxisokra.
A gyűrűs galaxisoknak a spirálgalaxisokhoz hasonlóan van egy dudoruk, és egy nagyobb csillaggyűrűs szerkezetük. Lehet, hogy úgy keletkeztek, hogy egy másik galaxis egyenesen átrepült egy spirálgalaxison, de nagyon ritkák, ezért nem túl jól tanulmányozottak.
A csillagászok nemrég megtalálták az eddig legtávolabbi ilyen furcsa galaxist, ami egy 11 milliárd évvel ezelőtti kozmikus “gázolásra” utal.
Hogyan keletkeztek egyáltalán ezek a rejtélyes csillag-, gáz-, por- és sötétanyag-halmazok, az egy hosszabb történet, amiről bővebben itt a ScienceNordic-on egy következő cikkben olvashatnak majd.
A dán változatot a Videnskab.dk Forskerzonen oldalán olvashatják. Köszönet Guarn Nissennek a dánról angolra történő fordításom során tett javaslataiért és szerkesztéseiért.
Peter Laursen profilja (Niels Bohr Institute, University of Copenhagen)
Peter Laursen honlapja
‘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