Linnutee tähtedes, vägivalla ajalugu | Ajakiri Quanta

5. oktoobri 1923 hilisõhtul istus Edwin Hubble Mount Wilsoni observatooriumi Hookeri teleskoobi okulaari ees mägede tipus, kust avanes vaade Los Angelese jõgikonnale. Ta jälgis objekti põhjataevas. Palja silmaga oli see nähtav nõrga määrdumisena. Kuid läbi teleskoobi teritus see hiilgavaks ellipsiks, mida nimetatakse Andromeeda udukoguks. Arutelu lahendamiseks Linnutee suuruse üle, milleks peeti siis kogu universumit, pidi Hubble kindlaks määrama Andromeda kauguse meist.

Andromeeda oli teleskoobi vaateväljas hiiglane. Hubble jäädvustas kannatlikult mitu säritust, mis kattis paljusid klaasist fotoplaate, ning 6. oktoobri esimestel tundidel tegi ta väikesel klaasplaadil 45-minutilise särituse ja kriipsutas tähega N, kus nägi kolme uut tähte ehk noovat. Kuid kui ta võrdles oma pilti teiste astronoomide jäädvustatud fotodega, mõistis ta, et üks tema uutest noovadest oli tegelikult tsefeidi muutuv täht - tähetüüp, mida saab kasutada astronoomiliste kauguste mõõtmiseks.

Ta kriimustas välja ühe "N" ja kirjutas "VAR!"

Hubble kasutas seda pulseerivat tähte, et arvutada, et Andromeeda oli Maast 1 miljoni valgusaasta kaugusel, mis on palju suurem kui Linnutee läbimõõt (ta oli veidi eemal; Andromeeda on umbes 2.5 miljoni valgusaasta kaugusel). Ja ta mõistis, et Andromeeda ei olnud pelgalt udukogu, vaid terve "saare universum" - meie omast erinev galaktika.

Kosmose lõhenemisega kodugalaktikaks ja suuremaks universumiks võiks meie piiratud kodu – ja selle universumis eksisteerimise – uurimine tõsiselt alata. Nüüd, sajand hiljem, teevad astronoomid endiselt ootamatuid avastusi ainsa kosmilise saare kohta, mida me kunagi asustame. Nad võivad selgitada mõningaid Linnutee omadusi, kujutades uuesti ette, kuidas see varajases universumis tekkis ja kasvas, uurides selle ebaühtlast kuju ja uurides selle võimet moodustada planeete. Viimase nelja aasta jooksul kogutud viimased tulemused annavad nüüd pildi meie kodust kui ainulaadsest kohast, ainulaadsel ajal.

Näib, et meil on vedanud, et elame eriti vaikse tähe läheduses keskealise, veidralt kallutatud, lõdvalt spiraalikujulise galaktika rahulikul äärealal, mis on suurema osa oma eksisteerimisest üksi jäänud.

Meie saare universum

Maa pinnalt - kui olete kuskil väga pimedas - näete ainult Linnutee galaktilise ketta heledat triipu, servaga. Kuid galaktika, milles me elame, on palju keerulisem.

Selle keskel keerleb ülimassiivne must auk, mida ümbritseb "punn" - tähtede sõlm, mis sisaldab mõningaid galaktika vanimaid täheelanikke. Järgmisena tuleb "õhuke ketas" - struktuur, mida me näeme -, kus enamik Linnutee tähti, sealhulgas päike, on jagatud hiiglaslikeks spiraalseteks harudeks. Õhuke ketas on ümbritsetud laiema "paksu kettaga", mis sisaldab vanemaid tähti, mis on rohkem laiali. Lõpuks ümbritseb neid struktuure enamasti sfääriline halo; see on enamasti valmistatud tumeainest, kuid sisaldab ka tähti ja hajutatud kuuma gaasi.

Nende struktuuride kaartide koostamiseks pöörduvad astronoomid üksikute tähtede poole. Iga tähe koostises on kirjas tema sünnikoht, vanus ja sünnipärased koostisosad, nii et tähevalguse uurimine võimaldab galaktilist kartograafiat ja ka genealoogiat. Paigutades tähti ajas ja kohas, saavad astronoomid jälgida ajalugu ja järeldada, kuidas Linnutee tükkhaaval rajati miljardite aastate jooksul.

Esimesed suuremad jõupingutused ürgse Linnutee moodustumise uurimiseks algasid 1960. aastatel, kui Olin Eggen, Donald Lynden-Bell ja Alan Sandage, kes oli Edwin Hubble'i endine magistrant, väitsid, et galaktika varises kokku pöörlevast gaasipilvest. Pikka aega pärast seda arvasid astronoomid, et esimene struktuur, mis meie galaktikas tekkis, oli halo, millele järgnes hele ja tihe tähtede ketas. Kui võimsamad teleskoobid tulid võrku, koostasid astronoomid järjest täpsemaid kaarte ja hakkasid täpsustama oma ideid galaktika koosnemise kohta.

Kõik muutus 2016. aastal, kui Maale jõudsid tagasi esimesed andmed Euroopa Kosmoseagentuuri Gaia satelliidilt. Gaia mõõdab täpselt miljonite tähtede liikumisteed kogu galaktikas, võimaldades astronoomidel teada saada, kus need tähed asuvad, kuidas nad kosmoses liiguvad ja kui kiiresti nad liiguvad. Gaia abil said astronoomid maalida Linnuteest teravama pildi - see, mis paljastas palju üllatusi.

Mõhk ei ole sfääriline, vaid maapähklikujuline ja see on osa suuremast ribast, mis ulatub meie galaktika keskele. Galaktika ise on kõverdunud nagu pekstud kauboi mütsi äär. Paks ketas on samuti laienenud, kasvades servade poole paksemaks ja see võib olla tekkinud enne halo. Astronoomid pole isegi kindlad, kui palju spiraalharusid galaktikas tegelikult on.

Meie saareuniversumi kaart pole nii kena, kui kunagi tundus. Ega nii rahulik.

"Kui vaadata traditsioonilist Linnutee pilti, on teil see kena sfääriline halo ja kena korrapärase välimusega ketas ning kõik on kuidagi settinud ja paigal. Aga mida me praegu teame, on see, et see galaktika on tasakaalust väljas,” ütles Charlie Conroy, Harvard-Smithsoniani astrofüüsika keskuse astronoom. "See pilt sellest, et see on lihtne ja hästi korraldatud, on viimase paari aasta jooksul tõesti välja visatud."

Uus Linnutee kaart

Kolm aastat pärast seda, kui Edwin Hubble mõistis, et Andromeeda on omaette galaktika, tegelesid tema ja teised astronoomid sadade saareuniversumite pildistamise ja klassifitseerimisega. Paistis, et need galaktikad eksisteerivad mõne valdava kuju ja suurusega, nii et Hubble töötas välja põhilise klassifitseerimisskeemi, mida tuntakse häälekahvli diagrammina: see jagab galaktikad kahte kategooriasse, elliptilisteks ja spiraalideks.

Astronoomid kasutavad seda skeemi endiselt galaktikate, sealhulgas meie galaktikate kategoriseerimiseks. Praegu on Linnutee spiraal, mille käed on tähtede (ja seega ka planeetide) peamised kasvukohad. Pool sajandit arvasid astronoomid, et on neli peamist õlavart – Ambur, Orion, Perseus ja Cygnus (me elame väiksemas harus, mida kujutlusvõimetult nimetatakse kohalikuks käeks). Kuid ülihiiglaslike tähtede ja muude objektide uued mõõtmised joonistavad teistsuguse pildi ning astronoomid ei ole enam ühel meelel käte arvu või nende suuruse ega isegi selles, kas meie galaktika on saarte seas veider.

"Hämmastav on see, et peaaegu ühelgi välisgalaktikal ei ole nelja spiraali, mis ulatuvad nende keskustest nende välispiirkondadesse." Xu Ye, ütles Hiina Purple Mountaini vaatluskeskuse astronoom e-kirjas.

Linnutee spiraalharude jälgimiseks kasutasid Ye ja kolleegid Gaia ja maapealseid raadioteleskoope noorte tähtede otsimiseks. Nad leidsid, et nagu ka teistel spiraalgalaktikatel, on Linnuteel ainult kaks peamist haru, Perseus ja Norma. Selle tuuma ümber keerlevad ka mitmed pikad ebakorrapärased käed, sealhulgas Centaurus, Ambur, Carina, välimine ja kohalik käsi. Näib, et Linnutee võib vähemalt oma kujult sarnaneda kaugete kosmiliste saartega rohkem, kui astronoomid arvasid.

"Spiraalikujulise Linnutee uurimine võib paljastada, kas see on vaadeldavas universumis miljardite galaktikate seas ainulaadne," kirjutas Ye.

Kosmilised kaldad

Hubble'i uurimus Andromeedast ja selle muutuvtähest tulenes tema ägedast rivaalitsemisest teise kuulsa astronoomiga Mount Wilsonis, Harlow Shapley'ga. Harvardi astronoom Henrietta Swan Leavitt oli teerajajaks tsefeidide muutuvate tähtede kasutamisele kauguste mõõtmiseks ja Shapley oli oma meetodit kasutades välja arvutanud, et Linnutee läbimõõt on 300,000 1919 valgusaastat – see oli hämmastav väide 3,000. aastal, kui enamik astronoome uskus, et päike on galaktika keskmes ja et kogu galaktika ulatus XNUMX valgusaastani. Shapley nõudis seega, et teised "spiraalsed udukogud" peavad olema gaasipilved, mitte eraldiseisvad galaktikad, sest nende suurus tähendaks, et need asuvad mõeldamatult kaugel.

Hubble kirjutas omakorda üles oma muutuvate tähtede mõõtmised ja veenis kõiki, et Andromeeda on tõepoolest eraldiseisev galaktika. "Siin on kiri, mis hävitas minu universumi," ütles Shapley väidetavalt pärast Hubble'i andmete nägemist.

Astronoomiliste kauguste osas ei pruukinud Shapley aga nii kaugel olla. Vahepealsel sajandil on astronoomid välja arvutanud, et Linnutee mõhk on umbes 12,000 120,000 valgusaasta läbimõõduga, ketta laius on XNUMX XNUMX valgusaastat ning tumeaine ja iidsete täheparvede halo ulatub sadu tuhandeid valgusaastaid. igas suunas.

Hiljutine tähelepanek avastas, et mõned halotähed on hajutatud kuni 1 miljoni valgusaasta kaugusel – poolel teel Andromeedast –, mis viitab sellele, et halo ja seega ka galaktika ei ole omaette saareuniversum.

Astronoomid eesotsas Jesse Han, Harvard-Smithsoniani astrofüüsika keskuse magistrant, tegi hiljuti kindlaks, et tähe halo ei ole sfääriline, nagu kaua eeldati, vaid jalgpalli kujuline. Tööl avaldati 14. septembrilHan ja tema meeskond näitasid ka, et tumeaine halo võib olla umbes 25 kraadi kallutatud, mistõttu kogu galaktika näib olevat kõver.

Ja kuigi see võib tunduda piisavalt veider, võib kalle ise olla tõendiks Linnutee vägivaldsest minevikust.

Häire galaktikas

Aastaid enne seda, kui Hubble okulaari taga istus, aastaid enne Päikese sündi, ammu enne Linnutee eksisteerimist, purustas Suur Pauk kogu mateeria ja hajutas selle valimatult laiali kogu vastsündinud kosmoses. Esimesed galaktikad tekkisid lõpuks juhusliku killustiku tükkidest, alustades 13 miljardi aasta pikkust jada, mis viis meieni. Astronoomid vaidlevad nende sündmuste arenemise keerukuse üle, kuid nad teavad, et meie praegune galaktika kasvas läbi keeruka protsessi, mis hõlmas ühinemisi ja omandamisi.

Kogu universumis põrkuvad galaktikad kokku ja ühinevad kujuteldamatult tohututeks õnnetusteks. Edwin Hubble'i järgi nimetatud teleskoop jäädvustab need kosmilised kuhjad kogu aeg. Ja kuigi see on tänapäeval suhteliselt rahulik, pole Linnutee erand: sõeludes läbi tähtede, gaasivoogude, tuhandetest kuni miljonitest tähtedest koosnevate nn kerasparvede ja isegi õgitud kääbusgalaktikate varjude säilitatud arheoloogilisi dokumente, teadlased õpivad rohkem Linnutee arenemise kohta.

Esimesed vihjed vägivallale tulid siis, kui astronoomid, kes vaatasid läbi Palomari observatooriumi 200-tollise teleskoobi (mida Hubble esimesena kasutas), leidsid 1992. aastal tõendeid selle kohta, et Linnutee rebib osa oma halo kerasparvedest. Sloan Digital Sky Survey kinnitas seda vaatlust ja raadioteleskoobid leidsid hiljem, et ka galaktika hingas sisse. lähedalasuvad gaasivood.

2018. aasta keskpaigaks leidsid astronoomid, et Linnutee oli kogu oma eluea jooksul mõne väikese galaktikaga ühinenud, kuid enamik neist olid väikesed sündmused. Hiljutine suurim ühinemine, 10 miljardit aastat tagasi, arvati hõlmavat Amburi kääbuselliptilist galaktikat, mis annetas Linnutee tähehalole gaasivooge ja täherühmi. Kuid astronoomid ei mõistnud neid objekte täielikult enne, kui Gaia satelliit avaldas oma teise andmekogumi 2018. aastal.

Kui astronoomid uurisid umbes miljardi tähe üksikasjalikku liikumist ja asukohta, ilmnesid galaktika suure häire märgid – nad nägid halos galaktilist vrakki. Seal tiirlevad mõned tähed äärmuslike nurkade all ja on teistest erineva koostisega, mis viitab sellele, et nad pärinevad kusagilt mujalt.

Astronoomid pidasid neid veidraid tähti tõendiks Linnutee ja teise galaktika vahelisest titaanlikust kokkupõrkest. Tõenäoliselt 8–11 miljardit aastat tagasi toimunud ühinemine oleks noore Linnutee katastroofiliselt katkestanud, teise galaktika tükkideks rebinud ja tekitanud uute tähtede tekke.

Põrkuva galaktika jäänused on nüüdseks nimeks Gaia-Sausage-Enceladus, mis on kahe meeskonna tulemus, kes avastasid iseseisvalt ühinemise jäänused. Üks meeskond andis sellele nime kreeka jumaluse Gaia, Maa ja kogu elu ürgema ema, ja tema poja Enceladuse järgi. Teine märkas, et jäänused nägid välja nagu vorst. (Mõned astronoomid vaidlus et sissetulev galaktika oli ainus, kes osales, mis viitab selle asemel, et paljud väiksemad kokkupõrked pikema aja jooksul oleksid võinud põhjustada praegu nähtavaid struktuure.)

Ühinemine muutis kõike: Linnutee halo kulgu, sisemist punni ja lapikketast.

Nüüd kasutavad astronoomid erinevaid tööriistu, et mõista Gaia-Vorsti-Enceladuse kuhja aega ja seda, kuidas imiku Linnutee selle tulemusena kasvas.

Märtsis 2022 Maosheng Xiang ja Hans-Walter Rix Max Plancki astronoomiainstituudi töö alustas Linnutee 1.0 määratlemisega, proto-galaktikaga, mis eksisteeris enne ühinemisi. Nad tegid seda kasutades iidset hiiglaslikud tähed mis on päikesest väiksemad ja mis on oma vesinikkütuse ära kasutanud ja muutuvad nüüd punniks. Hiiglasliku tähe heledus vastab tema vanusele ja selle valgus toimib tema sünnimaterjali sõrmejäljena. Kui Xiang ja Rix kasutasid neid vihjeid veerand miljoni hiiglasliku tähe rändeajaloo järeldamiseks, leidsid nad, et paks ketas tekkis galaktikate tekketeooriates oodatust varem – 13 miljardit aastat tagasi, vaevalt silmapilgutusega pärast Suurt Pauku. .

Populaarsed kosmoloogilised teooriad viitavad sellele, et pärast Suurt Pauku oleks nii suurte ja täpselt määratletud struktuuride moodustumine pidanud võtma kauem aega. Ja ometi nemad aina kerkima ütles James Webbi kosmoseteleskoobi kaugete galaktikate vaatlustes Rosemary Wyse, astrofüüsik Johns Hopkinsi ülikoolis.

„Saate siduda, kuidas meie arvates meie galaktika kujunes koos sellega, mida JWST näeb. Kas meil on ühtne pilt sellest, kuidas galaktika tekkis? Kas meie galaktika on tüüpiline? ta ütles.

Paks ketas võis eksisteerida enne peamist ühinemist, kuid õhuke ketas langes kokku Gaia-Sausage-Enceladuse, Xiangi ja Rixi saabumisega. See kaheosaline koosteprotsess, mis toodab eristatavaid tähekettaid, võib olla tavaline ja see võib olla tähtede tekkimisel ülioluline. Sündimus on pärast seda meeletust langenud, kuid Linnutee teeb aastas ikkagi umbes 10–20 uut tähte.

Yuxi (Lucy) Lu, kes äsja kolis Columbia ülikoolist Ameerika loodusloomuuseumisse, soovis mõista galaktilise ketta ajalugu ja seda, kuidas see on aja jooksul muutunud. Selleks uuris ta, kuidas tähtede eluea jooksul toimuvad keemilised muutused võivad aidata kindlaks teha nende sünnikoha. Ta keskendus samalaadsetele puhvis hiiglaslikele tähtedele ja leidis uues avaldamata töös, et metallirikkad alamhiiglased – need, milles on palju heeliumist raskemaid elemente – hakkasid Gaia, Sausage’i ja Enceladuse ühinemise ajal tõsiselt kasvama. 11–8 miljardit aastat tagasi.

Tõendid Gaia-Vorsti-Enceladuse kohta kuhjuvad jätkuvalt. Kuid astronoomid ei saa siiani aru, miks on asjad sellest ajast peale rahulikud. Linnutee keemiline ajalugu ja struktuuri ajalugu tunduvad ebatüüpilised, ütles Lu.

Näiteks Andromeedal on palju vägivaldsem ajalugu kui Linnuteel. Oleks veider, kui meie galaktika jääks nii kauaks üksi, arvestades teiste galaktikate ajalugu ja valitsevat kosmoloogilist mudelit, mis ütleb, et galaktikad kasvavad üksteise sisse põrgades, ütles Wyse. "Ühendamise ajalugu on ebatavaline ja kokkupaneku ajalugu. See, kas me oleme universumis tegelikult ebatavalised... Ma ütleksin, et see on endiselt lahtine küsimus, ”ütles ta.

Uue saare sünd

Isegi kui astronoomid panevad kokku galaktika minevikku, uurivad teised, kuidas galaktika naabruskonnad võivad olla üksteisest sama erinevad kui linnad ja eeslinnad – see võimalus tõstatab küsimuse, kuidas planeedid (ja võib-olla ka elu) on galaktikas jaotunud.

Siin, ühe kindla tähe ümber kohalikul käel, tekkis päikese ümber kaheksa planeeti – neli kivist ja neli gaasilist. Kuid teised käed võivad olla erinevad. Need keskkonnad võivad tekitada erinevaid tähtede ja planeetide populatsioone samamoodi nagu spetsialiseerunud taimestik ja loomastik arenevad erineva biosfääriga mandritel.

"Võib-olla saab elu tekkida ainult tõeliselt vaikses galaktikas. Võib-olla saab elu tekkida ainult tõeliselt vaikse tähe ümber,” rääkis Jessie Christiansen, California Tehnoloogiainstituudi astronoom, kes uurib galaktilisi tingimusi ja nende mõju planeedi ehitamisele. „Selle ühe statistilise valimiga on nii raske; kõik [meie galaktika kohta] võib olla oluline või mitte miski ei saa olla oluline.

Sajand pärast seda, kui Edwin Hubble kirjutas "VAR!" klaasplaadil muudab JWST-i vaateväljas eralduv galaktikate hulk seda, mida me teame kosmosest ja meie kohast selles. Nii nagu me saame kasutada Linnuteed astrofüüsikalise vaatluskeskusena, et mõista universumit laiemalt, saame kasutada ka laiemat universumit ja selle miljardeid galaktikaid, et mõista oma kodu ja seda, kuidas me oleme.

Astronoomid võtavad jätkuvalt lehekülje Hubble'i mänguraamatust ja uurivad põhjataeva nõrga ellipsi Andromeedat. Nagu Gaia on oma kodule lähemal teinud, mõõdab Kitt Peaki riiklikus vaatluskeskuses asuv Dark Energy Spectroscopic Instrument Andromeeda üksikuid tähti ja kontrollib nende liikumist, vanust ja keemilist arvukust. Wyse kavatseb uurida ka kõrval asuva galaktika üksikuid tähti, kasutades Mauna Keal asuvat Subaru teleskoopi.

See annab uue ülevaate Andromeeda minevikust ja uue võrdluse meie enda galaktika jaoks. Samuti pakub see nõrga pilgu väga kaugesse tulevikku. Meie galaktika hävitab lõpuks kaks väikest lähedalasuvat galaktikat, Suure ja Väikese Magellani Pilve, mis meie suunas üle kosmose karjuvad. Meie galaktika hakkab neid juba seedima.

"Kui me jälgiksime seda kõike miljardi aasta pärast, näeks see palju segasem välja," ütles Conroy. "Oleme lihtsalt ajal, mil asjad on suhteliselt vaiksed."

Järgmisena liitub meiega ka Andromeda. Edwin Hubble'i klaasplaate hõlmav galaktika ei ole enam saareuniversum. Andromeeda ja Linnutee liiguvad üksteise poole, nende tähehalod koos keerlevad. Aja jooksul, mis ei suuda aru saada, ühinevad ka kettad, soojendades külma gaasi ja pannes selle kondenseeruma ja süttima uusi tähti. Mis iganes järgmiseks rajatava ehitise servadele kerkivad uued päikesed ja koos nendega uued planeedid. Kuid praegu on kõik vaikne, siin ainsa galaktika kohalikul harul, mida me kunagi tunneme.