Формирование и эволюция галактик

Изучение формирования и эволюции галактик связано с процессами, которые сформировали гетерогенную Вселенную из однородного начала, образованием первых галактик, тем, как галактики изменяются с течением времени, и процессами, которые породили разнообразие структур, наблюдаемых в соседних галактиках. . , формирование галактик происходит Согласно теориям формирования структур в результате крошечных квантовых флуктуаций после Большого взрыва . Простейшей моделью, в целом согласующейся с наблюдаемыми явлениями, является модель Lambda-CDM , то есть кластеризация и слияние позволяют галактикам накапливать массу, определяя как их форму, так и структуру. Гидродинамическое моделирование, которое моделирует как барионы , так и темную материю , широко используется для изучения формирования и эволюции галактик.

Обычно наблюдаемые свойства галактик

в виде камертона Хаббла Диаграмма морфологии галактик

Из-за невозможности проводить эксперименты в космическом пространстве единственный способ «проверить» теории и модели эволюции галактик — это сравнить их с наблюдениями. Объяснения того, как формировались и развивались галактики, должны быть в состоянии предсказать наблюдаемые свойства и типы галактик.

Эдвин Хаббл создал раннюю схему классификации галактик, теперь известную как диаграмма камертона Хаббла. Он разделил галактики на эллиптические , нормальные спирали , спирали с перемычкой (например, Млечный Путь ) и неправильные . Эти типы галактик обладают следующими свойствами, которые можно объяснить современными теориями эволюции галактик:

• Многие свойства галактик (в том числе диаграмма цвета и величины галактики ) указывают на то, что существует принципиально два типа галактик. Эти группы делятся на голубые галактики со звездообразованием, которые больше похожи на спиральные галактики, и красные галактики, не образующие звезд, которые больше похожи на эллиптические галактики.
• Спиральные галактики довольно тонкие, плотные и вращаются относительно быстро, тогда как звезды в эллиптических галактиках имеют хаотично ориентированные орбиты.
• Большинство гигантских галактик содержат в своих центрах сверхмассивную черную дыру , масса которой варьируется от миллионов до миллиардов раз больше массы Солнца . Масса черной дыры привязана к балджу родительской галактики или массе сфероида.
• Металличность имеет положительную корреляцию с абсолютной величиной (светимостью) галактики.

Теперь астрономы полагают, что сначала образовались дисковые галактики, а затем в результате слияния галактик превратились в эллиптические галактики.

Современные модели также предсказывают, что большая часть массы галактик состоит из темной материи — вещества, которое невозможно наблюдать напрямую и которое может не взаимодействовать никаким образом, кроме гравитации. Это наблюдение возникает потому, что галактики не могли бы сформироваться так, как они есть, или вращаться так, как мы видим, если бы они не содержали гораздо большую массу, чем можно наблюдать непосредственно.

Формирование дисковых галактик

Самым ранним этапом эволюции галактик является их образование. Когда образуется галактика, она имеет форму диска и называется спиральной галактикой из-за спиралевидных структур «рукавов», расположенных на диске. Существуют разные теории того, как из облака материи развиваются эти дискообразные распределения звезд, однако в настоящее время ни одна из них точно не предсказывает результаты наблюдений.

Нисходящие теории

Олин Эгген , Дональд Линден-Белл и Аллан Сэндидж в 1962 году предложил теорию, согласно которой 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, оказывая друг на друга приливные моменты, которые придавали им некоторый угловой момент. Когда барионная материя остыла, она рассеяла часть энергии и сжалась к центру. При сохранении углового момента вещество вблизи центра ускоряет свое вращение. Затем, подобно вращающемуся шарику теста для пиццы, материя превращается в плотный диск. Когда диск остывает, газ не становится гравитационно стабильным, поэтому он не может оставаться единственным однородным облаком. Он разрывается, и эти меньшие по размеру облака газа образуют звезды. Поскольку темная материя не рассеивается, а взаимодействует только гравитационно, она остается распределенной за пределами диска в так называемом темном гало . Наблюдения показывают, что за пределами диска расположены звезды, что не совсем соответствует модели «теста для пиццы». Впервые оно было предложено Леонард Сирл и Роберт Зинн что галактики образуются в результате слияния меньших прародителей. Эта теория, известная как сценарий формирования сверху вниз, довольно проста, но уже не получила широкого признания.

Теория снизу вверх

Более поздние теории включают кластеризацию гало темной материи в восходящем процессе. Вместо того, чтобы большие газовые облака сжимались, образуя галактику, в которой газ распадается на более мелкие облака, предполагается, что материя зародилась в этих «меньших» сгустках (масса порядка шаровых скоплений ), а затем многие из этих сгустков слились. образовывать галактики, которые затем были притянуты 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 этот тип процесса, предсказывают больше маленьких галактик, чем больших, что соответствует наблюдениям.

Астрономы в настоящее время не знают, какой процесс останавливает сокращение. Фактически, теории формирования дисковых галактик не могут определить скорость вращения и размер дисковых галактик. Было высказано предположение, что излучение ярких новообразованных звезд или активного ядра галактики может замедлять сжатие формирующегося диска. Также было высказано предположение, что гало темной материи может притянуть галактику, тем самым остановив сжатие диска.

Модель Lambda-CDM — это космологическая модель, объясняющая формирование Вселенной после Большого взрыва . Это относительно простая модель, которая предсказывает многие свойства, наблюдаемые во Вселенной, включая относительную частоту различных типов галактик; однако он недооценивает количество галактик с тонким диском во Вселенной. Причина в том, что эти модели формирования галактик предсказывают большое количество слияний. Если дисковые галактики сольются с другой галактикой сопоставимой массы (не менее 15 процентов ее массы), это слияние, скорее всего, уничтожит или, как минимум, сильно разрушит диск, и не ожидается, что образовавшаяся галактика будет дисковой галактикой (см. следующий раздел). ). Хотя это остается нерешенной проблемой для астрономов, это не обязательно означает, что модель Lambda-CDM полностью неверна, а, скорее, требует дальнейшего уточнения для точного воспроизведения популяции галактик во Вселенной.

Слияния галактик и образование эллиптических галактик

Изображение художника: огненная буря рождения звезды глубоко внутри ядра молодой, растущей эллиптической галактики.

NGC 4676 ( Мышиные галактики ) является примером нынешнего слияния.

Антенные галактики — это пара сталкивающихся галактик: яркие голубые узлы — это молодые звезды, которые недавно зажглись в результате слияния.

ESO 325-G004 — типичная эллиптическая галактика.

Основная статья: Слияние галактик

Эллиптические галактики (особенно сверхгигантские эллиптические галактики , такие как ESO 306-17 ) являются одними из крупнейших из известных на сегодняшний день . Их звезды находятся на орбитах, ориентированных внутри галактики случайным образом (т.е. они не вращаются, как дисковые галактики). Отличительной особенностью эллиптических галактик является то, что скорость звезд не обязательно способствует сплющиванию галактики, как, например, в спиральных галактиках. Эллиптические галактики имеют центральные сверхмассивные черные дыры , и массы этих черных дыр коррелируют с массой галактики.

Эллиптические галактики имеют две основные стадии эволюции. Первая связана с тем, что сверхмассивная черная дыра растет за счет аккреции охлаждающего газа. На втором этапе происходит стабилизация черной дыры за счет подавления охлаждения газа, в результате чего эллиптическая галактика остается в стабильном состоянии. Масса черной дыры также коррелирует со свойством, называемым сигма , которое представляет собой дисперсию скоростей звезд на их орбитах. Это соотношение, известное как соотношение М-сигма , было обнаружено в 2000 году. Эллиптические галактики в основном лишены дисков, хотя некоторые балджи дисковых галактик напоминают эллиптические галактики. Эллиптические галактики чаще встречаются в густонаселенных регионах Вселенной (например, в скоплениях галактик ).

Астрономы теперь рассматривают эллиптические галактики как одни из наиболее развитых систем во Вселенной. Широко признано, что основной движущей силой эволюции эллиптических галактик являются слияния меньших галактик. Многие галактики во Вселенной гравитационно связаны с другими галактиками, а это означает, что они никогда не смогут избежать взаимного притяжения. Если эти сталкивающиеся галактики имеют одинаковый размер, образовавшаяся галактика не будет похожа ни на одну из своих прародительниц. но вместо этого будет эллиптическим. Существует много типов слияний галактик, которые не обязательно приводят к образованию эллиптических галактик, но приводят к структурным изменениям. Например, предполагается, что произойдет незначительное слияние Млечного Пути и Магеллановых Облаков.

Слияния таких больших галактик считаются насильственными, а фрикционное взаимодействие газа между двумя галактиками может вызвать гравитационные ударные волны , которые способны образовывать новые звезды в новой эллиптической галактике. Путем секвенирования нескольких изображений различных галактических столкновений можно наблюдать временную шкалу слияния двух спиральных галактик в одну эллиптическую галактику.

В Местной группе Млечный Путь и Галактика Андромеды гравитационно связаны и в настоящее время сближаются друг с другом на высокой скорости. Моделирование показывает, что Млечный Путь и Андромеда находятся на пути к столкновению 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 нынешнего пути вокруг Млечного Пути. Остаток может быть гигантской эллиптической галактикой.

Гашение галактики

Звездообразование в ныне «мертвых» галактиках прекратилось миллиарды лет назад.

Основная статья: Закалка (астрономия)

Одно наблюдение, которое должно быть объяснено успешной теорией эволюции галактик, — это существование двух разных популяций галактик на диаграмме цвет-величина галактики. Большинство галактик, как правило, попадают в два отдельных места на этой диаграмме: «красную последовательность» и «синее облако». Галактики красной последовательности обычно представляют собой эллиптические галактики, не образующие звезд, с небольшим количеством газа и пыли, тогда как галактики с голубыми облаками, как правило, представляют собой пыльные спиральные галактики со звездообразованием.

Как описано в предыдущих разделах, галактики имеют тенденцию эволюционировать от спиральной к эллиптической структуре посредством слияний. Однако нынешняя скорость слияний галактик не объясняет, как все галактики переходят из «голубого облака» в «красную последовательность». Это также не объясняет, как прекращается звездообразование в галактиках. Поэтому теории эволюции галактик должны быть в состоянии объяснить, как в галактиках прекращается звездообразование. Это явление называется «закалкой галактик».

Звезды образуются из холодного газа (см. также закон Кенникута-Шмидта ), поэтому галактика гаснет, когда в ней больше нет холодного газа. Однако считается, что гашение происходит относительно быстро (в течение 1 миллиарда лет), что намного короче, чем время, которое потребовалось бы галактике, чтобы просто израсходовать свой резервуар холодного газа. Модели эволюции галактик объясняют это, выдвигая гипотезу о других физических механизмах, которые удаляют или перекрывают подачу холодного газа в галактику. Эти механизмы можно в общих чертах разделить на две категории: (1) механизмы превентивной обратной связи, которые препятствуют проникновению холодного газа в галактику или предотвращению образования звезд, и (2) механизмы эжективной обратной связи, которые удаляют газ, чтобы он не мог образовывать звезды.

Один теоретический превентивный механизм, называемый «удушением», не позволяет холодному газу проникнуть в галактику. Удушение, вероятно, является основным механизмом прекращения звездообразования в близлежащих галактиках малой массы. Точное физическое объяснение удушения до сих пор неизвестно, но, возможно, оно связано с взаимодействием галактики с другими галактиками. Когда галактика попадает в скопление галактик, гравитационные взаимодействия с другими галактиками могут задушить ее, не давая ей аккрецировать больше газа. Для галактик с массивными гало темной материи другой превентивный механизм, называемый «вириальный ударный нагрев», также может препятствовать тому, чтобы газ стал достаточно прохладным для образования звезд.

Процессы выброса, вытесняющие холодный газ из галактик, могут объяснить, как происходит затухание более массивных галактик. Один механизм выброса вызван сверхмассивными черными дырами, обнаруженными в центрах галактик. Моделирование показало, что газ, аккрецирующийся на сверхмассивные черные дыры в галактических центрах, производит струи высокой энергии ; высвободившаяся энергия может вытеснить достаточно холодного газа, чтобы погасить звездообразование.

Наш Млечный Путь и близлежащая Галактика Андромеды в настоящее время, похоже, переживают затухающий переход от звездообразующих синих галактик к пассивным красным галактикам.

Гидродинамическое моделирование

Темная энергия и темная материя составляют большую часть энергии Вселенной, поэтому барионы можно игнорировать при моделировании формирования крупномасштабных структур (с использованием таких методов, как моделирование N-тел ). Однако, поскольку видимые компоненты галактик состоят из барионов, крайне важно включить барионы в моделирование для изучения детальной структуры галактик. Поначалу барионный компонент состоит в основном из водорода и гелия, который позже превращается в звезды при формировании структур. На основе наблюдений можно протестировать модели, используемые в моделировании, и улучшить понимание различных стадий формирования галактик.

Уравнения Эйлера

В космологическом моделировании астрофизические газы обычно моделируются как невязкие идеальные газы, которые подчиняются уравнениям Эйлера , которые могут быть выражены в основном тремя различными способами: лагранжевыми, эйлеровыми или произвольными методами Лагранжа-Эйлера. Различные методы дают конкретные формы гидродинамических уравнений. При использовании лагранжевого подхода для задания поля предполагается, что наблюдатель отслеживает конкретный пакет жидкости с его уникальными характеристиками во время его движения в пространстве и времени. Напротив, подход Эйлера подчеркивает определенные места в пространстве, через которые жидкость проходит с течением времени.

Барионная физика

Чтобы сформировать популяцию галактик, гидродинамические уравнения должны быть дополнены множеством астрофизических процессов, главным образом определяемых барионной физикой.

Охлаждение газа

Такие процессы, как столкновительное возбуждение, ионизация и обратное комптоновское рассеяние , могут привести к рассеиванию внутренней энергии газа. В моделировании процессы охлаждения реализуются путем связывания функций охлаждения с уравнениями энергии. Помимо изначального охлаждения, при высокой температуре, $\ 10^{5}K<T<10^{7}K\,$, преобладает охлаждение тяжелых элементов (металлов). Когда $\ T<10^{4}K\,$ также необходимо учитывать тонкую структуру и молекулярное охлаждение Для моделирования холодной фазы межзвездной среды .

Межзвездная среда

Сложная многофазная структура, включающая релятивистские частицы и магнитное поле, затрудняет моделирование межзвездной среды. В частности, моделирование холодной фазы межзвездной среды представляет технические трудности из-за коротких временных рамок, связанных с плотным газом. В ранних моделях фаза плотного газа часто не моделируется напрямую, а скорее характеризуется эффективным политропным уравнением состояния. В более поздних симуляциях используется мультимодальное распределение. описать распределения плотности и температуры газа, которые непосредственно моделируют многофазную структуру. Однако в будущих симуляциях необходимо учитывать более детальные физические процессы, поскольку структура межзвездной среды напрямую влияет на звездообразование .

Звездообразование

По мере накопления холодного и плотного газа он подвергается гравитационному коллапсу и в конечном итоге образует звезды. Чтобы смоделировать этот процесс, часть газа преобразуется в бесстолкновительные звездные частицы, которые представляют собой одновозрастные звездные популяции с одной металличностью и описываются исходной основной функцией масс. Наблюдения показывают, что эффективность звездообразования в молекулярном газе практически универсальна: около 1% газа превращается в звезды за время свободного падения. При моделировании газ обычно преобразуется в звездные частицы с использованием вероятностной схемы отбора проб, основанной на рассчитанной скорости звездообразования. Некоторые симуляции ищут альтернативу вероятностной схеме выборки и направлены на то, чтобы лучше отразить кластерную природу звездообразования, рассматривая звездные скопления как фундаментальную единицу звездообразования. Этот подход позволяет расти звездным частицам за счет аккреции материала из окружающей среды. Помимо этого, современные модели формирования галактик отслеживают эволюцию этих звезд и массу, которую они возвращают газовому компоненту, что приводит к обогащению газа металлами.

Звездная обратная связь

Звезды влияют на окружающий их газ, передавая им энергию и импульс. Это создает петлю обратной связи, которая регулирует процесс звездообразования. Чтобы эффективно контролировать звездообразование, звездная обратная связь должна генерировать потоки галактического масштаба, которые вытесняют газ из галактик. Для передачи энергии и импульса, особенно посредством взрывов сверхновых, с окружающим газом используются различные методы. Эти методы различаются способом выделения энергии: термическим или кинетическим. Однако в первом случае следует избегать чрезмерного радиационного охлаждения газа. Охлаждение ожидается в плотном и холодном газе, но его невозможно надежно смоделировать в космологическом моделировании из-за низкого разрешения. Это приводит к искусственному и чрезмерному охлаждению газа, что приводит к потере энергии обратной связи сверхновой через излучение и значительно снижает ее эффективность. В последнем случае кинетическая энергия не может излучаться до тех пор, пока она не термализуется. Однако использование гидродинамически разделенных частиц ветра для нелокальной подачи импульса в газ, окружающий активные области звездообразования, все еще может быть необходимо для достижения крупномасштабных галактических потоков. Последние модели явно моделируют звездную обратную связь. Эти модели не только включают обратную связь сверхновых, но также учитывают другие каналы обратной связи, такие как впрыск энергии и импульса от звездных ветров, фотоионизация и радиационное давление, возникающее в результате излучения, испускаемого молодыми массивными звездами. Во время Космического Рассвета формирование галактик происходило короткими вспышками от 5 до 30 млн лет из-за звездных обратных связей.

Сверхмассивные черные дыры

Также рассматривается моделирование сверхмассивных черных дыр с численным засевом их в гало темной материи благодаря их наблюдению во многих галактиках. и влияние их массы на распределение плотности массы. Скорость их массового прироста часто моделируется моделью Бонди-Хойла.

Активные ядра галактик

Активные ядра галактик (АЯГ) оказывают влияние на наблюдательные явления сверхмассивных черных дыр, а также регулируют рост черных дыр и звездообразование. В моделировании обратная связь АЯГ обычно разделяется на два режима: квазар и радиорежим. Обратная связь в режиме квазара связана с радиационно-эффективным режимом роста черной дыры и часто включается посредством введения энергии или импульса. Считается, что на регуляцию звездообразования в массивных галактиках существенное влияние оказывает обратная связь радиомод, которая возникает из-за присутствия высококоллимированных струй релятивистских частиц. Эти струи обычно связаны с рентгеновскими пузырьками, которые обладают достаточной энергией, чтобы уравновесить потери на охлаждение.

Магнитные поля

Подход идеальной магнитогидродинамики обычно используется в космологическом моделировании, поскольку он обеспечивает хорошее приближение космологических магнитных полей. Влияние магнитных полей на динамику газа обычно незначительно в больших космологических масштабах. Тем не менее, магнитные поля являются критическим компонентом межзвездной среды, поскольку они обеспечивают поддержку давления против гравитации. и влияют на распространение космических лучей.

Космические лучи

Космические лучи играют значительную роль в межзвездной среде, способствуя повышению ее давления. служит важнейшим каналом обогрева, и потенциально приводит к оттоку галактического газа. На распространение космических лучей сильно влияют магнитные поля. Таким образом, в моделировании уравнения, описывающие энергию и поток космических лучей, связаны с магнитогидродинамики . уравнениями

Радиационная гидродинамика

Моделирование радиационной гидродинамики — это вычислительные методы, используемые для изучения взаимодействия излучения с веществом. В астрофизическом контексте радиационная гидродинамика используется для изучения эпохи реионизации, когда Вселенная имела большое красное смещение. Существует несколько численных методов, используемых для моделирования радиационной гидродинамики, включая трассировку лучей, метод Монте-Карло и методы, основанные на моментах. Трассировка лучей включает в себя отслеживание путей отдельных фотонов посредством моделирования и расчет их взаимодействия с материей на каждом этапе. Этот метод требует больших вычислительных затрат, но может дать очень точные результаты.

Галерея

• 
  NGC 3610 демонстрирует некую структуру в виде яркого диска, подразумевая, что она образовалась совсем недавно.
• 
  NGC 891 — очень тонкая дисковая галактика.
• 
  Изображение Мессье 101 , прототипа спиральной галактики, видимое лицом к лицу.
• 
  Спиральная галактика ESO 510-G13 искривилась в результате столкновения с другой галактикой. После того как другая галактика полностью поглотится, искажение исчезнет. Обычно этот процесс занимает миллионы, если не миллиарды лет.

См. также

• Большой взрыв – Физическая теория
• Выпуклость (астрономия) – плотно упакованная группа звезд внутри более крупного образования. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Хронология Вселенной – История и будущее Вселенной
• Космология - научное исследование происхождения, эволюции и возможной судьбы Вселенной.
• Галактический диск - компонент дисковых галактик, состоящий из газа и звезд.
• Формирование и эволюция Солнечной системы . Моделирование ее структуры и состава.
• Галактическая система координат - Небесная система координат в сферических координатах с Солнцем в центре.
• Галактическая корона - горячий ионизированный газообразный компонент галактического гало.
• Галактическое гало - сферический компонент галактики, выходящий за пределы основного видимого компонента.
• Галактическая ориентация
• Кривая вращения галактики - наблюдаемое несоответствие галактических угловых моментов.
• Проект Illustris – Вселенные, смоделированные компьютером.
• Список галактик
• Массовая сегрегация (астрономия) - Гравитационный процесс, например, в звездных скоплениях.
• Функция распределения металличности - Распределение внутри группы звезд соотношения железа и водорода в звезде.
• Галактика-горошек - возможный тип светящейся синей компактной галактики.
• Недавние разработки (2018 г.): Галактики с небольшим количеством темной материи или без нее - концепция космологии.
• Красный самородок — маленькие галактики, наполненные большим количеством красных звезд.
• Звездообразование - процесс, при котором плотные области молекулярных облаков в межзвездном пространстве разрушаются, образуя звезды.
• Формирование структуры - формирование галактик, скоплений галактик и более крупных структур в результате небольших ранних флуктуаций плотности.
• UniverseMachine – Вселенные, смоделированные компьютером.
• Блин Зельдовича - Теоретическая конденсация газа из первичных колебаний плотности после Большого взрыва.

Дальнейшее чтение

• Мо, Ходжун; ван ден Бош, Фрэнк; Уайт, Саймон (июнь 2010 г.), Формирование и эволюция галактик (1-е изд.), Cambridge University Press , ISBN  978-0521857932

Внешние ссылки

• Галерея изображений галактик NOAO. Архивировано 2 августа 2002 г. на Wayback Machine.
  • Изображение галактики Андромеды (M31). Архивировано 21 октября 2002 г. на Wayback Machine.
• Калькулятор пассивной эволюции Javascript для галактик раннего типа (эллиптических)
• Видео об эволюции галактик канадского астрофизика доктора П.