Gapiąc się na ciemne nocne niebo, widzisz gwiazdy rozrzucone we wszystkich kierunkach. Tu może być ich więcej niż tam, ale ogólnie rzecz biorąc, gwiazdy są rozmieszczone mniej więcej równomiernie na nocnym niebie.
Jednakże, jeśli znajdziesz się w szczególnie ciemnym miejscu, zobaczysz słabe pasmo światła na całym niebie. A gdybyś skierował teleskop w kierunku tego pasma, zobaczyłbyś o wiele więcej gwiazd.
Włoski naukowiec Galileo Galilei był pierwszym, który to zrobił, potwierdzając tym samym ponad 2000-letnie przekonanie, że pasmo, które przez tysiąclecia było nazywane „Drogą Mleczną” od greckiego galaxías kýklos, składało się z niezliczonych odległych gwiazd.
Początkowano ideę, że Układ Słoneczny znajdował się w spłaszczonej kępie gwiazd, ponieważ patrząc wzdłuż tego „dysku” widzi się mnóstwo gwiazd, podczas gdy mniej jest ich widocznych, gdy patrzy się z dala od dysku.
Oprócz gwiazd widziano szereg rozmytych plam, o których po raz pierwszy pomyślano, że leżą wewnątrz Drogi Mlecznej. Ludzie po prostu wierzyli, że Droga Mleczna jest wszystkim, co istnieje – jest całym Wszechświatem. Jednak niemiecki filozof Immanuel Kant zaproponował, że Droga Mleczna jest tylko naszym Wszechświatem, podczas gdy rozmyte plamy – lub mgławice – są odległymi „wyspowymi wszechświatami”, daleko od naszego.
W tym czasie takie myśli były tylko spekulacjami, ale wraz z wprowadzeniem aparatu fotograficznego i dużych teleskopów, astronomowie zdali sobie sprawę, zaledwie 100 lat temu, że nasza galaktyka – którą dziś nazywa się wszechświatami wyspowymi – jest tylko jedną z pozornie nieskończonej liczby kęp gwiazd krążących wokół siebie i utrzymywanych razem przez siłę grawitacji.
Whereas odległość między gwiazdami wewnątrz galaktyki jest zazwyczaj kilka lat świetlnych, odległości między galaktykami są mierzone w milionach lat świetlnych. Pomiędzy galaktykami nie ma w zasadzie nic – około 1 atom na metr sześcienny.
Najmniejsze galaktyki mieszczą kilka milionów gwiazd, podczas gdy największe liczą ich biliony. Droga Mleczna, którą można uznać za typową galaktykę, zawiera kilkaset miliardów gwiazd.
W tym artykule wyjaśnię, czym jest galaktyka, z czego jest zbudowana i jakie istnieją jej różne rodzaje. W kolejnym artykule ScienceNordic zajmiemy się tym, jak galaktyki powstały w ogóle.
Z czego zbudowane są galaktyki?
Pięć lub sześć rzeczy można wskazać jako budulec galaktyk: gwiazdy, gaz, pył, supermasywne czarne dziury, ciemna materia i, być może, planety.
Gwiazdy, jak przedstawiono powyżej, są obfite. Gwiazdy żyją przez długi czas, ale nie wiecznie. Gdy wyczerpują swoje paliwo i umierają, pozostawiają po sobie białe karły, gwiazdy neutronowe lub czarne dziury.
Ale, choć na ogół to właśnie gwiazdy pozwalają nam widzieć galaktyki, w rzeczywistości stanowią one jedynie niewielki ułamek całkowitej masy galaktyki.
Gwiazdy zbudowane są z gazu, ale pomiędzy gwiazdami – w tak zwanym ośrodku międzygwiazdowym – również znajdują się duże ilości gazu.
W małych galaktykach może być tyle samo gazu międzygwiazdowego, co gazu gwiazdowego, podczas gdy ułamek ten maleje wraz z wielkością galaktyki.
Środek międzygwiazdowy dzieli się na różne fazy. Niektóre regiony są rozproszone i niezwykle gorące, o temperaturach rzędu milionów stopni. W tych regionach gaz jest zjonizowany, co oznacza, że większość atomów ma jeden lub więcej elektronów oderwanych z powodu wysokiej temperatury.
Inne regiony są gęstsze i chłodniejsze, około 10 000 K.
Im gorętszy jest gaz, tym wyższe jest jego ciśnienie i tym bardziej się rozszerza (jest to ten sam mechanizm, który sprawia, że balon na gorące powietrze się unosi).
I odwrotnie, jeśli gaz znacznie się ochłodzi (do około 100 stopni Kelvina, lub -170 °C), powstają bardzo gęste i zimne obłoki molekularne. To właśnie tam powstają nowe gwiazdy!
W Wielkim Wybuchu powstały praktycznie tylko atomy wodoru i helu, o czym pisałem więcej w artykule Wielki Wybuch – relacja naocznego świadka.
Ale kiedy gwiazdy wypalają się i umierają, zwracają część swojego gazu do ośrodka międzygwiazdowego – tyle że teraz jest on zanieczyszczony cięższymi pierwiastkami (które astronomowie czule uogólniają nazywając je wszystkie „metalami”, choć dla chemików może to brzmieć niezręcznie).
Dzisiaj około dwa procent całkowitej masy gazu zostało zamienione w metale, a około jedna trzecia tych metali zgromadziła się w postaci pyłu.
Planety – znikomy ułamek galaktyki
Kiedy rodzi się gwiazda, wokół niej tworzy się dysk z gazu i pyłu. Pył może zbijać się w grudki, tworząc skały, które z kolei tworzą większe skały, które ostatecznie mogą skończyć jako planety.
W całkowitym budżecie masy planety odgrywają coraz mniejszą rolę, ale są prawdopodobnie niezbędne do istnienia życia, więc mimo wszystko są dość ekscytujące.
Od czasu odkrycia pierwszych planet poza naszym Układem Słonecznym zaledwie 25 lat temu, stało się oczywiste, że większość gwiazd ma planety. Obecnie wiemy o ponad 4000 egzoplanet (tj. planet krążących wokół innych gwiazd niż nasze Słońce).
Niepasywne czarne dziury i ciemna materia
W centrum większości galaktyk znajduje się „supermasywna czarna dziura”. Te czarne dziury mogą ważyć miliony lub miliardy razy więcej niż masa Słońca (w astronomii wszystko jest tak masywne, że mierzenie rzeczy w gramach lub kilogramach staje się niepraktyczne, więc zamiast tego używamy mas Słońca, co w przybliżeniu odpowiada dwóm miliardom bilionów bilionów kilogramów).
Grawitacyjnie, ich wkład jest raczej nieistotny w porównaniu do reszty galaktyki, ale przez chwilę, czerń może wygenerować „aktywne jądro galaktyki”, lub kwazar, który może zdmuchnąć znaczną część materii z galaktyki.
Czasami te kwazary mogą opróżnić galaktykę z gazu do tego stopnia, że gasi to powstawanie nowych gwiazd.
Jednakże to, o czym słyszeliśmy do tej pory, stanowi tylko około 1/6 całkowitej masy. Większość masy galaktyki to w rzeczywistości coś zupełnie innego, a mianowicie ciemna materia.
Ciemna materia różni się od „normalnej” materii tym, że oddziałuje tylko grawitacyjnie. Oznacza to, że nie oddziałują na nią ani siły elektromagnetyczne ani jądrowe, więc nie może emitować światła i nie może zderzać się z innymi rzeczami.
To właśnie dlatego, że nie emituje światła, nazywamy ją ciemną materią. Nie możemy jej zobaczyć; widzimy jedynie jej wpływ na rzeczy, które możemy zobaczyć, ponieważ oddziałuje grawitacyjnie ze świecącą materią.
Zwykła materia może się ochłodzić i stać się gęstą galaktyką, ale ciemna materia trudniej się zlepia i dlatego znajduje się w znacznie większym „halo” wokół widocznej części galaktyki.
Tak więc to, co widzimy jako galaktykę, jest w rzeczywistości tylko ułamkiem tego, czym galaktyka jest w rzeczywistości. Ten rysunek przedstawia przybliżone wymiary składników Drogi Mlecznej.
Galaktyczne zoo
Galaktyki występują w różnych kształtach i wyglądzie, ale ogólnie możemy je uporządkować w trzy klasy:
- Galaktyki spiralne
- Galaktyki eliptyczne
- Galaktyki nieregularne
Wszystkie te klasy mają jednak podgrupy, a niektóre galaktyki są nawet nieco hors catégorie.
Wygląd galaktyki nazywamy jej morfologią. Jeśli chcemy badać ewolucję galaktyk, praktycznym rozwiązaniem jest sklasyfikowanie ich zgodnie z ich typem, ale dość często jest to trochę subiektywne, jak sklasyfikować galaktykę pod względem morfologicznym, ponieważ nie ma wyraźnych granic pomiędzy różnymi typami.
Jeśli chcesz pomóc astronomom sklasyfikować galaktyki, możesz odwiedzić stronę galaxyzoo.org i pomóc nam podjąć decyzję.
Już w zeszłym roku wyniki tego astro-crowdsourcingu doprowadziły astronomów do zrewidowania naszego rozumienia tego, jak zachowują się ramiona galaktyk spiralnych (zobacz ten film, aby zapoznać się z tym zagadnieniem).
Przyjrzyjrzyjmy się jednak bliżej różnym typom galaktyk.
Wspaniałe galaktyki spiralne
Moim zdaniem galaktyki spiralne są najpiękniejsze. Charakteryzują się czerwonawym, centralnym „wybrzuszeniem” i szeregiem niebieskawych ramion spiralnych leżących w płaskim dysku, obracają się majestatycznie z okresami kilku 100 milionów lat.
W ramionach spiralnych znajduje się tylko około 2-3 razy więcej gwiazd niż pomiędzy nimi, ale ponieważ w tych regionach zachodzi aktywne tworzenie się gwiazd, są one znacznie jaśniejsze. Ponieważ masywne gwiazdy – które świecą niebieskim światłem, ale szybko się wypalają – są wciąż w pobliżu, ramiona wydają się niebieskie.
Około dwie trzecie galaktyk spiralnych posiada strukturę przypominającą pręt rozciągającą się od wybrzuszenia. Pręt jest prawdopodobnie rodzajem fali gęstości, podobnie jak ramiona spiralne, zdolnej do „zasysania” gazu z otaczających ramion spiralnych, który może być następnie wykorzystany do produkcji nowych gwiazd.
Gaz ten może również zasilać supermasywną czarną dziurę w centrum galaktyki, sprawiając, że przekształca się ona w aktywne jądro galaktyczne lub kwazar.
Giants of the Universe: Elliptical Galaxies
Galaktyki eliptyczne są, jak sądzimy, wynikiem łączenia się wielu mniejszych (proto-) galaktyk. Podczas tych kolizji tempo powstawania gwiazd najpierw gwałtownie wzrasta i widzimy jeden lub kilka 'wybuchów gwiazd’.
Gwałtowne powstawanie gwiazd może wyczerpać większość gazu za jednym razem. Sama kolizja, jak również wiatry gwiazdowe i supernowe zdmuchują resztę gazu, tak że formowanie nowych gwiazd staje się trudne. Pozostają więc tylko stare gwiazdy, a ponieważ stare gwiazdy są czerwono-pomarańczowe, taki kolor ma większość galaktyk eliptycznych.
Więc to tak zwane wygaszanie pozostawia za sobą czerwoną i „martwą” galaktykę.
Największe galaktyki we Wszechświecie to galaktyki eliptyczne, o masie do dziesięciu razy większej niż Droga Mleczna. Te galaktyczne potwory często rezydują w centrum dużych gromad galaktyk, czyli zbiorów setek lub tysięcy galaktyk, utrzymywanych razem przez grawitację.
… a potem są wszystkie inne rodzaje galaktyk
Niektóre galaktyki, w szczególności te mniejsze, nie są ani eliptyczne, ani dyskowate, lecz mają zupełnie inny kształt. Takie galaktyki nazywane są galaktykami nieregularnymi.
Nieregularny kształt jest często wynikiem kolizji lub bliskich kolizji z innymi galaktykami.
Galaktyki nieregularne są zazwyczaj małe, ponieważ większe galaktyki są lepiej przygotowane do opierania się wstrząsom i mieszaniu przez inne galaktyki.
Innym typem są galaktyki soczewkowate, rodzaj kombinacji pomiędzy eliptycznymi i spiralnymi: Wykazują one pewną strukturę spiralną, ale także wyraźne halo eliptyczne.
Im większa i masywniejsza jest galaktyka, tym rzadziej występuje. Większość galaktyk to zatem galaktyki karłowate, które można dalej podzielić na karłowate spiralne, karłowate eliptyczne, karłowate nieregularne i karłowate sferoidalne.
Galaktyki pierścieniowe mają wybrzuszenie tak jak galaktyki spiralne i większą strukturę pierścienia gwiezdnego. Mogły powstać w wyniku przelotu innej galaktyki prosto przez galaktykę spiralną, ale są one bardzo rzadkie i dlatego nie są zbyt dobrze zbadane.
Ostatnio astronomowie znaleźli najbardziej odległą z tych dziwnych galaktyk z dowodami na kosmiczne „uderzenie i ucieczkę”, które miało miejsce 11 miliardów lat temu.
To, jak te enigmatyczne skupiska gwiazd, gazu, pyłu i ciemnej materii powstały w pierwszej kolejności, to dłuższa historia, o której będzie można przeczytać więcej w kolejnym artykule tutaj, na ScienceNordic.
Czytaj duńską wersję na Videnskab.dk’s Forskerzonen. Podziękowania dla Guarn Nissen za sugestie i poprawki podczas mojego tłumaczenia tekstu z duńskiego na angielski.
Profil Petera Laursena (Niels Bohr Institute, University of Copenhagen)
Strona domowa 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
.