Gândindu-vă la cerul întunecat al nopții, vedeți stelele împrăștiate în toate direcțiile. S-ar putea să fie mai multe aici decât acolo, dar, în general, stelele sunt distribuite mai mult sau mai puțin uniform pe cerul nopții.

Cu toate acestea, dacă vă aflați într-un loc deosebit de întunecat, veți vedea o bandă slabă de lumină pe cer. Și dacă ați îndrepta un telescop în direcția acestei benzi, ați vedea mult mai multe stele.

Savantul italian Galileo Galilei a fost primul care a făcut acest lucru, confirmând astfel convingerea veche de peste 2.000 de ani că această bandă, care timp de milenii a fost numită „Calea Lactee”, din grecescul galaxías kýklos, era formată din nenumărate stele îndepărtate.

A început să se contureze ideea că Sistemul Solar se află într-o aglomerare aplatizată de stele, deoarece privind de-a lungul acestui „disc” se vede o abundență de stele, în timp ce se văd mai puține atunci când se privește departe de disc.

În plus față de stele, au fost observate o serie de pete neclare despre care s-a crezut inițial că se află în interiorul Căii Lactee. Oamenii credeau pur și simplu că Calea Lactee reprezenta tot ceea ce exista – era întregul Univers. Cu toate acestea, filozoful german Immanuel Kant a propus că Calea Lactee era pur și simplu Universul nostru, în timp ce pete neclare – sau nebuloase – erau „universuri insulare” îndepărtate, departe de al nostru.

La acea vreme, astfel de gânduri erau doar speculații, dar odată cu introducerea aparatului de fotografiat și a telescoapelor mari, astronomii și-au dat seama, în urmă cu doar 100 de ani, că galaxia noastră – pe care universurile insulare sunt numite astăzi – este doar una dintr-un număr aparent infinit de aglomerări de stele care orbitează unele în jurul altora și sunt ținute împreună de forța gravitațională.

În timp ce distanța dintre stelele din interiorul unei galaxii este de obicei de câțiva ani-lumină, distanțele dintre galaxii sunt măsurate în milioane de ani-lumină. Între galaxii, nu există practic nimic – aproximativ 1 atom pe metru cub.

Cele mai mici galaxii găzduiesc câteva milioane de stele, în timp ce cele mai mari cuprind trilioane. Calea Lactee, care poate fi considerată o galaxie tipică, conține câteva sute de miliarde de stele.

În acest articol, voi explica ce este o galaxie, din ce este alcătuită și ce tipuri diferite există. Într-un articol ulterior din ScienceNordic, vom analiza modul în care au fost create galaxiile.

Din ce sunt făcute galaxiile?

Cinci sau șase lucruri pot fi evidențiate ca fiind elementele constitutive ale galaxiilor: stele, gaz, praf, găuri negre supermasive, materie întunecată și, poate, planete.

Stelele, așa cum am subliniat mai sus, sunt numeroase. Stelele trăiesc mult timp, dar nu pentru totdeauna. Pe măsură ce își epuizează combustibilul și mor, ele lasă în urmă pitice albe, stele neutronice sau găuri negre.

Dar, deși, în general, stelele sunt cele care ne permit să vedem galaxiile, ele reprezintă, de fapt, doar o mică parte din masa totală a galaxiei.

Stelele sunt alcătuite din gaz, dar între stele – în așa-numitul mediu interstelar – rezidă, de asemenea, cantități mari de gaz.

În galaxiile mici, poate exista la fel de mult gaz interstelar ca și gazul stelar, în timp ce fracțiunea scade odată cu mărimea galaxiei.

Mediul interstelar este împărțit în diferite faze. Unele regiuni sunt difuze și extrem de fierbinți, cu temperaturi de milioane de grade. În aceste regiuni, gazul este ionizat, ceea ce înseamnă că majoritatea atomilor au avut unul sau mai mulți electroni smulși din cauza temperaturii ridicate.

Alte regiuni sunt mai dense și mai reci, în jur de 10.000 K.

Cu cât gazul este mai cald, cu atât presiunea este mai mare și se dilată mai mult (acesta este același mecanism care face ca un balon cu aer cald să se ridice).

În schimb, dacă gazul se răcește considerabil (până la aproximativ 100 de grade Kelvin, sau -170 °C), se formează nori moleculari foarte densi și reci. Aici se formează noi stele!

În Big Bang, practic au fost creați doar atomi de hidrogen și heliu, despre care am scris mai multe în articolul Big Bang – o relatare de martor ocular.

Dar atunci când stelele ard și mor, ele returnează o parte din gazul lor în mediul interstelar – numai că acum este poluat cu elemente mai grele (pe care astronomii le generalizează cu afecțiune numindu-le pe toate „metale”, deși ar putea suna discordant pentru chimiști).

Astăzi, aproximativ două procente din masa totală de gaz a fost transformată în metale, iar aproximativ o treime din aceste metale s-au aglomerat sub formă de praf.

Planetașii – o fracțiune neglijabilă a galaxiei

Când se naște o stea, se formează un disc de gaz și praf în jurul ei. Praful se poate aglomera, formând roci care, la rândul lor, formează roci mai mari care pot sfârși în cele din urmă sub formă de planete.

În bugetul total de masă, planetele joacă un rol din ce în ce mai mic, dar ele sunt probabil necesare pentru existența vieții, așa că sunt totuși destul de interesante.

De la descoperirea primelor planete din afara sistemului nostru solar, în urmă cu doar 25 de ani, a devenit evident că majoritatea stelelor au planete. Cunoaștem acum mai mult de 4.000 de exoplanete (adică planete care orbitează în jurul altor stele decât Soarele nostru).

Găuri negre supermasive și materie întunecată

În centrul majorității galaxiilor rezidă o „gaură neagră supermasivă”. Aceste găuri negre pot cântări de milioane sau miliarde de ori mai mult decât masa Soarelui (în astronomie totul este atât de masiv încât măsurarea lucrurilor în grame sau kilograme devine nepractică, așa că, în schimb, folosim masele solare, care sunt aproximativ egale cu două miliarde de miliarde de trilioane de kilograme).

Din punct de vedere gravitațional, contribuția lor este destul de nesemnificativă în comparație cu restul galaxiei, dar pentru o vreme, negrul poate genera un „nucleu galactic activ”, sau un quasar, care poate spulbera o parte substanțială din materia galaxiei din galaxie.

Câteodată acești quasari pot evacua galaxia de gaz într-o asemenea măsură încât să stingă formarea de noi stele.

Cu toate acestea, ceea ce am auzit până acum nu reprezintă decât aproximativ 1/6 din masa totală. Majoritatea masei unei galaxii este, de fapt, ceva complet diferit, și anume materia întunecată.

Materia întunecată diferă de materia „normală” prin faptul că interacționează doar gravitațional. Aceasta înseamnă că nu este afectată și nici nu exercită forțe electromagnetice sau nucleare, deci nu poate emite lumină și nu poate intra în coliziune cu alte lucruri.

Exact pentru că nu emite lumină o numim materie întunecată. Nu o putem vedea; vedem doar efectul pe care îl are asupra lucrurilor pe care le putem vedea, pe măsură ce interacționează gravitațional cu materia luminoasă.

Materia normală se poate răci și poate deveni o galaxie densă, dar materia întunecată se adună mai greu și, prin urmare, este localizată într-un „halo” mult mai mare în jurul părții vizibile a galaxiei.

Așa, ceea ce vedem ca fiind o galaxie este, de fapt, doar o fracțiune din ceea ce este de fapt o galaxie. Această figură arată dimensiunile aproximative ale componentelor Căii Lactee.

Galaxia zoo

Galaxiile au o varietate de forme și înfățișări, dar, în general, le putem organiza în trei clase:

1. Galaxii spiralate
2. Galaxii eliptice
3. Galaxii neregulate

Toate aceste clase au însă subgrupe, iar unele galaxii sunt chiar oarecum hors catégorie.

Aspectul unei galaxii se numește morfologia sa. Dacă vrem să studiem evoluția galaxiilor, este practic să le clasificăm în funcție de tipul lor, dar destul de des, este puțin subiectiv cum ați clasifica o galaxie din punct de vedere morfologic, deoarece nu există granițe clare între diferitele tipuri.

Dacă doriți să ajutați astronomii să clasifice galaxiile, puteți vizita galaxyzoo.org și să ne ajutați să decidem.

Încă de anul trecut, rezultatele acestui astro-crowdsourcing i-au determinat pe astronomi să revizuiască înțelegerea noastră cu privire la modul în care se comportă brațele galaxiilor spirale (vedeți acest videoclip pentru o trecere în revistă).

Dar haideți să ne uităm mai îndeaproape la diferitele tipuri de galaxii.

Galaxiile spirale magnifice

În opinia mea, galaxiile spirale sunt cele mai frumoase. Caracterizate de un „bulgăre” central roșiatic și de un număr de brațe spiralate albăstrui așezate într-un disc plat, ele se rotesc maiestuos cu perioade de câteva sute de milioane de ani.

Brațele spiralate conțin doar de 2-3 ori mai multe stele decât cele dintre ele, dar, deoarece în aceste regiuni are loc o formare activă de stele, ele sunt mult mai strălucitoare. Deoarece stelele masive – care strălucesc cu o lumină albastră, dar se ard rapid – sunt încă pe aici, brațele apar albastre.

În jur de două treimi dintre galaxiile spiralate au o structură asemănătoare unei bare care se extinde din bulgăre. Bara este probabil un fel de undă de densitate, la fel ca și brațele spiralate, capabilă să „absoarbă” gazul din brațele spiralate din jur, care poate fi apoi folosit pentru a da naștere la noi stele.

Acest gaz poate, de asemenea, să alimenteze o gaură neagră supermasivă în centrul galaxiei, făcând-o să se transforme într-un nucleu galactic activ sau într-un quasar.

Giantele Universului: Galaxiile eliptice

Galaxiile eliptice sunt, credem noi, rezultatul fuziunii mai multor galaxii mai mici (proto-). În timpul acestor coliziuni, rata de formare a stelelor crește mai întâi în mod dramatic și observăm una sau mai multe „explozii stelare”.

Formația violentă de stele poate epuiza cea mai mare parte a gazului dintr-o dată. Coliziunea în sine, precum și vânturile stelare și supernovele aruncă în aer restul de gaz, astfel încât formarea de noi stele devine dificilă. Astfel, rămân doar stelele vechi și, deoarece stelele vechi sunt de culoare roșu-portocaliu, aceasta este culoarea majorității galaxiilor eliptice.

În consecință, această așa-numită stingere lasă în urmă o galaxie roșie și „moartă”.

Cele mai mari galaxii din Univers sunt eliptice, cu mase de până la zece ori mai mari decât cea a Căii Lactee. Acești monștri galactici locuiesc adesea în centrul unor mari roiuri de galaxii, adică colecții de sute sau mii de galaxii, ținute împreună de gravitație.

… și apoi există toate celelalte tipuri de galaxii

Câteva galaxii, în special cele mai mici, nu sunt nici eliptice, nici displazice, ci au o formă complet diferită. Aceste galaxii se numesc galaxii neregulate.

Forma neregulată se datorează adesea coliziunilor, sau cvasi-coliziunilor, cu alte galaxii.

Galaxiile neregulate sunt de obicei mici, deoarece galaxiile mai mari sunt mai bine echipate pentru a rezista la scuturarea și agitarea de către alte galaxii.

Un alt tip sunt galaxiile lenticulare, un fel de combinație între eliptice și spirale: Ele prezintă o anumită structură spirală, dar și un halo eliptic clar.

Cu cât o galaxie este mai mare și mai masivă, cu atât este mai puțin comună. Cele mai multe galaxii sunt astfel galaxii pitice, care pot fi apoi clasificate în continuare în spirale pitice, eliptice pitice, neregulate pitice și galaxii sferoidale pitice.

Galaxiile inelare au un bulgăre la fel ca galaxiile spirale, și o structură inelară stelară mai mare. S-ar putea să se fi format din cauza unei alte galaxii care a zburat direct printr-o galaxie spirală, dar ele sunt foarte rare și, prin urmare, nu sunt prea bine studiate.

Recent, astronomii au găsit cea mai îndepărtată dintre aceste galaxii ciudate de până acum, cu dovezi ale unei „lovituri și fugă” cosmice care a avut loc acum 11 miliarde de ani.

Cum au fost create aceste aglomerări enigmatice de stele, gaz, praf și materie întunecată este o poveste mai lungă, despre care veți putea citi mai multe într-un articol ulterior aici, pe ScienceNordic.

Citește versiunea daneză la Forskerzonen de pe Videnskab.dk. Îi mulțumesc lui Guarn Nissen pentru sugestii și corecturi în timpul traducerii mele din daneză în engleză.

Profilul lui Peter Laursen (Niels Bohr Institute, Universitatea din Copenhaga)

Pagina de pornire a lui Peter Laursen

‘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