Формирование и эволюция галактик - Galaxy formation and evolution

Часть серии по
Физическая космология
Изображение полного неба, полученное по данным WMAP за девять лет
Составные части· Структура
Составные части
Структура
  • Категория Категория
  • Крабовидная туманность.jpg Астрономический портал

Изучение формирование и эволюция галактик занимается процессами, которые сформировали неоднородный Вселенная с однородного начала, формирование первых галактик, то, как галактики меняются с течением времени, и процессы, которые породили множество структур, наблюдаемых в соседних галактиках. Галактика предполагается, что формирование происходит из формирование структуры теории, в результате крошечных квантовые флуктуации после Большой взрыв. Простейшей моделью, в общем согласующейся с наблюдаемыми явлениями, является модель Лямбда-CDM модель - то есть кластеризация и слияние позволяет галактикам накапливать массу, определяя как их форму, так и структуру.

Обычно наблюдаемые свойства галактик

Схема камертона Хаббла морфологии галактик

Из-за невозможности проводить эксперименты в открытом космосе единственный способ «проверить» теории и модели эволюции галактик - это сравнить их с наблюдениями. Объяснения того, как формировались и развивались галактики, должны позволять предсказывать наблюдаемые свойства и типы галактик.

Эдвин Хаббл создал первую схему классификации галактик, известную как диаграмма камертона Хаббла. Он разделил галактики на эллиптические тренажеры, нормальный спирали, спирали с перемычкой (например, Млечный Путь ), и нерегулярные. Эти типы галактик обладают следующими свойствами, которые можно объяснить текущими теориями эволюции галактик:

  • Многие свойства галактик (в том числе диаграмма цвет – величина галактики ) указывают на то, что существует два основных типа галактик. Эти группы делятся на голубые галактики, образующие звезды, которые больше похожи на спиральные, и красные галактики, не образующие звезд, которые больше похожи на эллиптические галактики.
  • Спиральные галактики довольно тонкие, плотные и относительно быстро вращаются, в то время как звезды в эллиптических галактиках имеют случайно ориентированные орбиты.
  • Большинство гигантских галактик содержат огромная черная дыра в их центрах, массой от миллионов до миллиардов раз больше массы нашего солнце. Масса черной дыры связана с выпуклостью родительской галактики или массой сфероида.
  • Металличность имеет положительную корреляцию с абсолютная величина (светимость) галактики.

Существует распространенное заблуждение, что Хаббл ошибочно полагал, что диаграмма камертона описывает эволюционную последовательность галактик, от эллиптических галактик до галактик. линзы спиральным галактикам. Это не тот случай; вместо этого диаграмма камертона показывает эволюцию от простого к сложному без каких-либо временных коннотаций.[1] Теперь астрономы считают, что сначала сформировались дисковые галактики, а затем они превратились в эллиптические галактики в результате слияния галактик.

Современные модели также предсказывают, что большая часть массы галактик состоит из темная материя, вещество, которое нельзя наблюдать напрямую и которое не может взаимодействовать никакими средствами, кроме силы тяжести. Это наблюдение возникает из-за того, что галактики не могли сформироваться так, как они есть, или вращаться так, как их видят, если только они не содержат гораздо большую массу, чем можно наблюдать напрямую.

Формирование дисковых галактик

Самый ранний этап эволюции галактик - образование. Когда формируется галактика, она имеет форму диска и называется спиральной галактикой из-за спиралевидной структуры, расположенной на диске. Существуют разные теории о том, как эти дискообразные распределения звезд развиваются из облака материи: однако в настоящее время ни одна из них точно не предсказывает результаты наблюдений.

Теории сверху вниз

Олин Эгген, Дональд Линден-Белл, и Аллан Сэндидж[2] в 1962 году предложил теорию о том, что дисковые галактики образуются в результате монолитного коллапса большого газового облака. Распределение материи в ранней Вселенной было сгустками, состоящими в основном из темной материи. Эти сгустки взаимодействовали гравитационно, передавая друг другу приливные моменты, которые давали им некоторый угловой момент. Поскольку барионная материя охладившись, он рассеял часть энергии и сузился к центру. При сохранении углового момента вещество вблизи центра ускоряет свое вращение. Затем, как крутящийся шар из теста для пиццы, материя превращается в плотный диск. Когда диск охлаждается, газ теряет гравитационную устойчивость, поэтому он не может оставаться сингулярным однородным облаком. Он разбивается, и эти более мелкие газовые облака образуют звезды. Поскольку темная материя не рассеивается, поскольку взаимодействует только гравитационно, она остается распределенной за пределами диска в так называемом темный ореол. Наблюдения показывают, что за пределами диска расположены звезды, что не совсем подходит для модели «тесто для пиццы». Впервые это было предложено Леонард Сирл и Роберт Зинн [3] что галактики образуются в результате слияния более мелких предков. Эта теория, известная как сценарий формирования сверху вниз, довольно проста, но уже не получила широкого распространения.

Теории снизу вверх

Более поздние теории включают кластеризацию гало темной материи в восходящем процессе. Вместо коллапса больших газовых облаков с образованием галактики, в которой газ распадается на более мелкие облака, предполагается, что материя начиналась с этих «меньших» сгустков (масса порядка шаровые скопления ), а затем многие из этих сгустков слились в галактики,[4] которые затем были привлечены гравитацией, чтобы сформировать скопления галактик. Это по-прежнему приводит к дискообразному распределению барионной материи с темной материей, образующей гало, по тем же причинам, что и в теории сверху вниз. Модели, использующие такой процесс, предсказывают больше маленьких галактик, чем больших, что соответствует наблюдениям.

В настоящее время астрономы не знают, какой процесс останавливает сокращение. Фактически, теории формирования дисковых галактик не могут дать определение скорости вращения и размера дисковых галактик. Было высказано предположение, что излучение ярких новообразованных звезд или активное ядро ​​галактики может замедлить сжатие формирующего диска. Также было высказано предположение, что темная материя гало может притягивать галактику, останавливая сжатие диска.[5]

В Лямбда-CDM модель космологическая модель, которая объясняет формирование Вселенной после Большой взрыв. Это относительно простая модель, которая предсказывает многие свойства, наблюдаемые во Вселенной, включая относительную частоту различных типов галактик; однако он недооценивает количество тонких дисковых галактик во Вселенной.[6] Причина в том, что эти модели образования галактик предсказывают большое количество слияний. Если дисковые галактики сливаются с другой галактикой сопоставимой массы (по крайней мере, 15 процентов ее массы), слияние, вероятно, разрушит или, как минимум, сильно разрушит диск, и полученная галактика не будет дисковой галактикой (см. Следующий раздел ). Хотя это остается нерешенной проблемой для астрономов, это не обязательно означает, что модель лямбда-CDM полностью неверна, а скорее, что она требует дальнейшего уточнения для точного воспроизведения населения галактик во Вселенной.

Слияние галактик и образование эллиптических галактик

Художник изображает огненную бурю рождения звезд в глубине ядра молодой, растущей эллиптической галактики.
NGC 4676 (Мыши Галактики ) является примером настоящего слияния.
Антенны Галактики представляют собой пару сталкивающихся галактик - яркие синие узлы - молодые звезды, которые недавно вспыхнули в результате слияния.
ESO 325-G004, типичная эллиптическая галактика.
Основная статья: Слияние галактик

Эллиптические галактики (например, IC 1101 ) являются одними из самых известных на сегодняшний день. Их звезды находятся на орбитах, которые случайно ориентированы внутри галактики (т.е.они не вращаются, как дисковые галактики). Отличительной чертой эллиптических галактик является то, что скорость звезд не обязательно способствует сглаживанию галактики, например, в спиральных галактиках.[7] Эллиптические галактики имеют центральную сверхмассивные черные дыры, и массы этих черных дыр коррелируют с массой галактики.

Эллиптические галактики проходят два основных этапа эволюции. Первый связан с ростом сверхмассивной черной дыры за счет аккреции охлаждающего газа. Вторая стадия отмечена стабилизацией черной дыры за счет подавления охлаждения газа, в результате чего эллиптическая галактика остается в стабильном состоянии.[8] Масса черной дыры также связана со свойством, называемым сигма что представляет собой дисперсию скоростей звезд на их орбитах. Эти отношения, известные как M-сигма отношение, был открыт в 2000 году.[9] В эллиптических галактиках в основном отсутствуют диски, хотя некоторые выпячивается дисковых галактик напоминают эллиптические галактики. Эллиптические галактики чаще встречаются в густонаселенных регионах Вселенной (например, скопления галактик ).

Теперь астрономы считают эллиптические галактики одними из наиболее развитых систем во Вселенной. Принято считать, что основной движущей силой эволюции эллиптических галактик является слияния галактик меньшего размера. Многие галактики во Вселенной гравитационно связаны с другими галактиками, а это означает, что им никогда не избежать взаимного притяжения. Если галактики имеют одинаковый размер, результирующая галактика не будет похожа ни на одну из предшественниц,[10] но вместо этого будет эллиптическим. Есть много типов слияния галактик, которые не обязательно приводят к образованию эллиптических галактик, но приводят к структурным изменениям. Например, считается, что происходит небольшое слияние Млечного Пути и Магеллановых облаков.

Слияние таких больших галактик считается насильственным, а фрикционное взаимодействие газа между двумя галактиками может вызвать гравитационное ударные волны, которые способны образовывать новые звезды в новой эллиптической галактике.[11] Последовательно сравнивая несколько изображений различных столкновений галактик, можно наблюдать временную шкалу двух спиральных галактик, сливающихся в одну эллиптическую галактику.[12]

в Местная группа, Млечный Путь и Галактика Андромеды связаны гравитацией и в настоящее время приближаются друг к другу с большой скоростью. Моделирование показывает, что Млечный Путь и Андромеда движутся по курсу столкновения и, как ожидается, столкнутся менее чем через пять миллиардов лет. Ожидается, что во время этого столкновения Солнце и остальная часть Солнечной системы будут выброшены со своего текущего пути вокруг Млечного Пути. Остаток мог быть гигантской эллиптической галактикой.[13]

Тушение галактики

Звездообразование в нынешних "мертвых" галактиках расплылось миллиарды лет назад.[14]
Основная статья: Закалка (астрономия)

Одно наблюдение (см. Выше), которое должно быть объяснено с помощью успешной теории эволюции галактик, - это наличие двух разных популяций галактик на диаграмме цвет-величина галактики. Большинство галактик имеют тенденцию попадать в два разных места на этой диаграмме: «красную последовательность» и «синее облако». Галактики красной последовательности, как правило, не являются звездообразующими эллиптическими галактиками с небольшим количеством газа и пыли, в то время как галактики с синими облаками обычно представляют собой пыльные спиральные галактики, образующие звезды.[15][16]

Как описано в предыдущих разделах, галактики имеют тенденцию эволюционировать от спиральной к эллиптической структуре посредством слияний. Однако текущая скорость слияния галактик не объясняет, как все галактики перемещаются из «синего облака» в «красную последовательность». Это также не объясняет, как прекращается звездообразование в галактиках. Следовательно, теории эволюции галактик должны быть в состоянии объяснить, как в галактиках происходит звездообразование. Это явление называется «тушением» галактик.[17]

Форма звезд из холодного газа (см. также Закон Кенникатта-Шмидта ), поэтому галактика гаснет, когда в ней больше нет холодного газа. Однако считается, что гашение происходит относительно быстро (в пределах 1 миллиарда лет), что намного меньше времени, которое потребуется галактике, чтобы просто израсходовать свой резервуар холодного газа.[18][19] В моделях эволюции галактик это объясняется гипотезой о других физических механизмах, которые устраняют или перекрывают подачу холодного газа в галактику. Эти механизмы можно в общих чертах разделить на две категории: (1) механизмы превентивной обратной связи, которые не позволяют холодному газу проникать в галактику или не дают ему образовывать звезды, и (2) механизмы выталкивающей обратной связи, которые удаляют газ так, чтобы он не мог образовывать звезды.[20]

Один теоретически известный превентивный механизм, называемый «удушение», не позволяет холодному газу проникать в галактику. Удушение, вероятно, является основным механизмом подавления звездообразования в близлежащих галактиках с малой массой.[21] Точное физическое объяснение удушения до сих пор неизвестно, но, возможно, оно связано с взаимодействием галактики с другими галактиками. Когда галактика попадает в скопление галактик, гравитационное взаимодействие с другими галактиками может задушить ее, препятствуя аккреции большего количества газа.[22] Для галактик с массивным ореолы темной материи, еще один превентивный механизм, называемый «вириальным шок нагревание »также может препятствовать тому, чтобы газ стал достаточно холодным, чтобы образовались звезды.[19]

Процессы выброса, которые вытесняют холодный газ из галактик, могут объяснить, как гаснут более массивные галактики.[23] Один из механизмов выброса вызван сверхмассивными черными дырами, обнаруженными в центрах галактик. Моделирование показало, что газ, аккрецирующий на сверхмассивных черных дырах в центрах галактик, производит высокоэнергетические струи; высвобожденная энергия может вытеснить достаточно холодного газа, чтобы погасить звездообразование.[24]

Наш собственный Млечный Путь и соседняя Галактика Андромеды в настоящее время, похоже, претерпевают переход от голубых звездообразующих галактик к пассивным красным галактикам.[25]

Галерея

  • NGC 3610 показывает некую структуру в виде яркого диска, подразумевая, что она образовалась совсем недавно.[26]

  • NGC 891, очень тонкая дисковая галактика

  • Изображение Мессье 101, прототип спиральная галактика видно лицом к лицу

  • Спиральная галактика, ESO 510-G13, был искривлен в результате столкновения с другой галактикой. После полного поглощения другой галактики искажение исчезнет. Обычно этот процесс занимает миллионы, если не миллиарды лет.

Смотрите также

дальнейшее чтение

  • Мо, Ходжун; ван ден Бош, Франк; Белый, Саймон (Июнь 2010 г.), Формирование и эволюция галактик (1-е изд.), Издательство Кембриджского университета, ISBN  978-0521857932

Рекомендации

  1. ^ Хаббл, Эдвин П. «Внегалактические туманности». Астрофизический журнал 64 (1926).
  2. ^ Eggen, O.J .; Lynden-Bell, D .; Сэндидж, А. Р. (1962). «Свидетельство движения старых звезд о коллапсе Галактики». Астрофизический журнал. 136: 748. Bibcode:1962ApJ ... 136..748E. Дои:10.1086/147433.
  3. ^ Searle, L .; Зинн, Р. (1978). «Составы гало-скоплений и формирование гало-галактики». Астрофизический журнал. 225: 357–379. Bibcode:1978ApJ ... 225..357S. Дои:10.1086/156499.
  4. ^ Белый, Саймон; Рис, Мартин (1978). «Конденсация ядра в тяжелых гало: двухэтапная теория формирования и кластеризации галактик». MNRAS. 183 (3): 341–358. Bibcode:1978МНРАС.183..341W. Дои:10.1093 / минрас / 183.3.341.
  5. ^ Christensen, L.L .; de Martin, D .; Шида, Р.Ю. (2009). Космические столкновения: Атлас сливающихся галактик Хаббла. Springer. ISBN  9780387938530.
  6. ^ Стейнмец, Матиас; Наварро, Хулио Ф. (1 июня 2002 г.). «Иерархическое происхождение морфологии галактик». Новая астрономия. 7 (4): 155–160. arXiv:Astro-ph / 0202466. Bibcode:2002NewA .... 7..155S. CiteSeerX  10.1.1.20.7981. Дои:10.1016 / S1384-1076 (02) 00102-1.
  7. ^ Ким, Донг-Ву (2012). Горячее межзвездное вещество в эллиптических галактиках. Нью-Йорк: Спрингер. ISBN  978-1-4614-0579-5.
  8. ^ Чуразов, Э .; Сазонов, С .; Сюняев, Р .; Forman, W .; Jones, C .; Берингер, Х. (1 октября 2005 г.). «Сверхмассивные черные дыры в эллиптических галактиках: переход от очень ярких к очень тусклым». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма. 363 (1): L91 – L95. arXiv:astro-ph / 0507073. Bibcode:2005МНРАС.363Л..91С. Дои:10.1111 / j.1745-3933.2005.00093.x. ISSN  1745-3925.
  9. ^ Гебхардт, Карл; Бендер, Ральф; Бауэр, Гэри; Дресслер, Алан; Faber, S.M .; Филиппенко, Алексей В .; Ричард Грин; Гриллмэр, Карл; Хо, Луис К. (1 января 2000 г.). «Связь между массой ядерной черной дыры и дисперсией скорости галактики». Письма в астрофизический журнал. 539 (1): L13. arXiv:astro-ph / 0006289. Bibcode:2000ApJ ... 539L..13G. Дои:10.1086/312840. ISSN  1538-4357.
  10. ^ Барнс, Джошуа Э. (9 марта 1989 г.). «Эволюция компактных групп и образование эллиптических галактик». Природа. 338 (6211): 123–126. Bibcode:1989Натура.338..123Б. Дои:10.1038 / 338123a0.
  11. ^ «Современные научные достижения: когда галактики сталкиваются». www.noao.edu. Получено 25 апреля 2016.
  12. ^ Saintonge, Амели. «Что происходит, когда галактики сталкиваются? (Новичок) - Интересно насчет астрономии? Спросите астронома». curious.astro.cornell.edu. Получено 25 апреля 2016.
  13. ^ Cox, T. J .; Лоеб, Авраам (1 мая 2008 г.). «Столкновение Млечного Пути и Андромеды». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 386 (1): 461–474. arXiv:0705.1170. Bibcode:2008МНРАС.386..461С. Дои:10.1111 / j.1365-2966.2008.13048.x. ISSN  0035-8711.
  14. ^ «Гигантские галактики умирают изнутри». www.eso.org. Европейская южная обсерватория. Получено 21 апреля 2015.
  15. ^ Кэрролл, Брэдли У .; Остли, Дейл А. (2007). Введение в современную астрофизику. Нью-Йорк: Пирсон. ISBN  978-0805304022.
  16. ^ Blanton, Michael R .; Хогг, Дэвид В .; Bahcall, Neta A .; Болдры, Иван К .; Brinkmann, J .; Чабай, Иштван; Даниэль Эйзенштейн; Фукугита, Масатака; Ганн, Джеймс Э. (1 января 2003 г.). «Широкополосные оптические свойства галактик с красным смещением 0,02 Астрофизический журнал. 594 (1): 186. arXiv:astro-ph / 0209479. Bibcode:2003ApJ ... 594..186B. Дои:10.1086/375528. ISSN  0004-637X.
  17. ^ Faber, S.M .; Willmer, C. N.A .; Wolf, C .; Koo, D. C .; Weiner, B.J .; Newman, J. A .; Im, M .; Катушка, A. L .; К. Конрой (1 января 2007 г.). «Функции светимости галактики для z 1 из DEEP2 и COMBO-17: последствия для формирования красной галактики». Астрофизический журнал. 665 (1): 265–294. arXiv:Astro-ph / 0506044. Bibcode:2007ApJ ... 665..265F. Дои:10.1086/519294. ISSN  0004-637X.
  18. ^ Блэнтон, Майкл Р. (1 января 2006 г.). «Галактики в SDSS и DEEP2: Тихая жизнь на голубой последовательности?». Астрофизический журнал. 648 (1): 268–280. arXiv:astro-ph / 0512127. Bibcode:2006ApJ ... 648..268B. Дои:10.1086/505628. ISSN  0004-637X.
  19. ^ а б Gabor, J.M .; Davé, R .; Finlator, K .; Оппенгеймер, Б. Д. (11 сентября 2010 г.). «Как прекращается звездообразование в массивных галактиках?». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 407 (2): 749–771. arXiv:1001.1734. Bibcode:2010МНРАС.407..749Г. Дои:10.1111 / j.1365-2966.2010.16961.x. ISSN  0035-8711.
  20. ^ Кереш, Душан; Кац, Нил; Даве, Ромель; Фардал, Марк; Вайнберг, Дэвид Х. (11 июля 2009 г.). «Галактики в моделируемой Вселенной ΛCDM - II. Наблюдаемые свойства и ограничения на обратную связь». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 396 (4): 2332–2344. arXiv:0901.1880. Bibcode:2009МНРАС.396.2332К. Дои:10.1111 / j.1365-2966.2009.14924.x. ISSN  0035-8711.
  21. ^ Peng, Y .; Майолино, Р .; Кокрейн, Р. (2015). «Удушение как основной механизм прекращения звездообразования в галактиках». Природа. 521 (7551): 192–195. arXiv:1505.03143. Bibcode:2015Натура.521..192P. Дои:10.1038 / природа14439. PMID  25971510.
  22. ^ Бьянкони, Маттео; Marleau, Francine R .; Фадда, Дарио (2016). «Звездообразование и аккреционная активность черных дыр в богатых локальных скоплениях галактик». Астрономия и астрофизика. 588: A105. arXiv:1601.06080. Bibcode:2016A & A ... 588A.105B. Дои:10.1051/0004-6361/201527116.
  23. ^ Кереш, Душан; Кац, Нил; Фардал, Марк; Даве, Ромель; Вайнберг, Дэвид Х. (1 мая 2009 г.). «Галактики в моделируемой Вселенной ΛCDM - I. Холодная мода и горячие ядра». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 395 (1): 160–179. arXiv:0809.1430. Bibcode:2009МНРАС.395..160К. Дои:10.1111 / j.1365-2966.2009.14541.x. ISSN  0035-8711.
  24. ^ Ди Маттео, Тициана; Спрингель, Фолькер; Эрнквист, Ларс (2005). «Энергия квазаров регулирует рост и активность черных дыр и их родительских галактик». Природа (Представлена ​​рукопись). 433 (7026): 604–607. arXiv:astro-ph / 0502199. Bibcode:2005Натура.433..604D. Дои:10.1038 / природа03335. PMID  15703739.
  25. ^ Матч, Саймон Дж .; Кротон, Даррен Дж .; Пул, Грегори Б. (1 января 2011 г.). «Кризис среднего возраста Млечного Пути и M31». Астрофизический журнал. 736 (2): 84. arXiv:1105.2564. Bibcode:2011ApJ ... 736 ... 84M. Дои:10.1088 / 0004-637X / 736/2/84. ISSN  0004-637X.
  26. ^ «Молодой эллипс». Получено 16 ноября 2015.

внешняя ссылка