Linnunradan tähdissä, väkivallan historia | Quanta-lehti

Myöhään illalla 5. lokakuuta 1923 Edwin Hubble istui Hooker-teleskoopin okulaarissa Mount Wilsonin observatoriossa, vuorten huipulla, josta on näkymät Los Angelesin altaalle. Hän tarkkaili esinettä pohjoisella taivaalla. Paljaalla silmällä se näkyi heikkona tahrana. Mutta kaukoputken läpi se teroittui loistavaksi ellipsiksi nimeltä Andromeda-sumu. Ratkaistakseen keskustelun Linnunradan koosta – jonka silloin ajateltiin olevan koko maailmankaikkeus – Hubblen täytyi määrittää Andromedan etäisyys meistä.

Andromeda oli kaukoputken näkökentässä jättiläinen. Hubble kuvasi kärsivällisesti useita valotuksia, jotka peittivät monia lasivalokuvalevyjä, ja lokakuun 6. päivän alussa hän teki 45 minuutin valotuksen pienelle lasilevylle ja raapsi N-kirjaimen, jossa hän näki kolme uutta tähteä eli novaa. Mutta kun hän vertasi kuvaansa muiden tähtitieteilijöiden ottamiin valokuviin, hän tajusi, että yksi hänen uusista noovistaan ​​oli itse asiassa kefeidi-muuttuva tähti - tähtityyppi, jota voidaan käyttää tähtitieteellisten etäisyyksien mittaamiseen.

Hän raapui yhden N:n ja kirjoitti "VAR!"

Hubble käytti tätä sykkivää tähteä laskeakseen, että Andromeda oli miljoonan valovuoden päässä Maasta, mikä on paljon suurempi etäisyys kuin Linnunradan halkaisija (hän ​​oli hieman syrjässä; Andromeda on noin 1 miljoonan valovuoden päässä). Ja hän tajusi, että Andromeda ei ollut pelkkä sumu, vaan kokonainen "saariuniversumi" - galaksi, joka on erilainen kuin omamme.

Kun kosmos jakautuu kotigalaksiksi ja suuremmaksi maailmankaikkeudeksi, rajallisen kotimme – ja sen olemassaolon universumissa – tutkiminen voisi alkaa tosissaan. Nyt, vuosisataa myöhemmin, tähtitieteilijät tekevät edelleen odottamattomia löytöjä ainoasta kosmisesta saaresta, jolla koskaan asumme. He saattavat pystyä selittämään joitain Linnunradan ominaisuuksia kuvittelemalla uudelleen, kuinka se muodostui ja kasvoi varhaisessa universumissa, tutkimalla sen epätasaista muotoa ja tutkimalla sen kykyä muodostaa planeettoja. Viimeisimmät tulokset, jotka on kerätty viimeisen neljän vuoden aikana, maalaavat nyt kuvan kodistamme ainutlaatuisena paikkana, ainutlaatuisena aikana.

Näyttää siltä, ​​että meillä on ollut onni asua erityisen hiljaisen tähden lähellä keski-ikäisen, oudosti kallistuneen, löyhästi spiraalimaisen galaksin rauhallisilla laitamilla, joka on ollut suurelta osin yksin suurimman osan olemassaolostaan.

Meidän saariuniversumimme

Maan pinnalta - jos olet jossain hyvin pimeässä - näet vain Linnunradan galaktisen kiekon kirkkaan raidan reunalla. Mutta galaksi, jossa elämme, on paljon monimutkaisempi.

Supermassiivinen musta aukko kiemurtelee sen keskellä, jota ympäröi "pulloitus", tähtisolmu, joka sisältää joitakin galaksin vanhimpia tähtiasujia. Seuraavaksi tulee "ohut kiekko" - rakenne, jonka voimme nähdä - jossa suurin osa Linnunradan tähdistä, mukaan lukien aurinko, on jaettu jättimäisiksi kierteisiksi käsivarsiksi. Ohut kiekko on koteloitu leveämpään "paksuun levyyn", joka sisältää vanhempia tähtiä, jotka ovat levinneempiä. Lopuksi enimmäkseen pallomainen halo ympäröi näitä rakenteita; se on enimmäkseen valmistettu pimeästä aineesta, mutta sisältää myös tähtiä ja diffuusia kuumaa kaasua.

Tehdäkseen karttoja näistä rakenteista tähtitieteilijät käyttävät yksittäisiä tähtiä. Jokaisen tähden koostumus tallentaa sen syntymäpaikan, iän ja synnynnäiset ainesosat, joten tähtien valon tutkiminen mahdollistaa eräänlaisen galaktisen kartografian – sekä sukututkimuksen. Asettamalla tähdet aikaan ja paikkaan tähtitieteilijät voivat jäljittää historian ja päätellä, miten Linnunrata rakennettiin pala palalta miljardien vuosien aikana.

Ensimmäinen suuri ponnistelu alkuperäisen Linnunradan muodostumisen tutkimiseksi alkoi 1960-luvulla, kun Olin Eggen, Donald Lynden-Bell ja Alan Sandage, joka oli Edwin Hubblen entinen jatko-opiskelija, väittivät, että galaksi romahti pyörivästä kaasupilvestä. Pitkän aikaa sen jälkeen tähtitieteilijät luulivat, että ensimmäinen galaksiimme ilmestynyt rakenne oli halo, jota seurasi kirkas, tiheä tähtikiekko. Kun tehokkaammat teleskoopit tulivat verkkoon, tähtitieteilijät rakensivat yhä tarkempia karttoja ja alkoivat jalostaa ajatuksiaan galaksin yhdistämisestä.

Kaikki muuttui vuonna 2016, kun ensimmäiset tiedot Euroopan avaruusjärjestön Gaia-satelliitista palasivat Maahan. Gaia mittaa tarkasti miljoonien tähtien polut koko galaksissa, jolloin tähtitieteilijät voivat oppia, missä nämä tähdet sijaitsevat, kuinka ne liikkuvat avaruudessa ja kuinka nopeasti ne kulkevat. Gaian avulla tähtitieteilijät pystyivät maalaamaan terävämmän kuvan Linnunradasta, joka paljasti monia yllätyksiä.

Pullo ei ole pallomainen vaan maapähkinän muotoinen, ja se on osa suurempaa palkkia, joka ulottuu galaksimme keskelle. Itse galaksi on vääntynyt kuin lyödyn cowboyhatun reuna. Paksu levy on myös levenevä, kasvaen paksummaksi reunojaan kohti, ja se on saattanut muodostua ennen sädekehää. Tähtitieteilijät eivät ole edes varmoja, kuinka monta spiraalihaaraa galaksilla todella on.

Saariuniversumimme kartta ei ole niin siisti kuin miltä se joskus näytti. Eikä yhtä rauhallinen.

”Jos katsot perinteistä Linnunradan kuvaa, sinulla on tämä hieno pallomainen sädekehä ja kivan näköinen säännöllinen levy, ja kaikki on tavallaan laskeutunutta ja paikallaan. Mutta tiedämme nyt, että tämä galaksi on epätasapainossa", sanoi Charlie Conroy, tähtitieteilijä Harvard-Smithsonian Center for Astrophysicsissä. "Tämä kuva siitä, että se on yksinkertainen ja hyvin järjestetty, on todella heitetty ulos viimeisten parin vuoden aikana."

Uusi Linnunradan kartta

Kolme vuotta sen jälkeen, kun Edwin Hubble tajusi, että Andromeda oli oma galaksi, hän ja muut tähtitieteilijät olivat kiireisiä kuvien ja luokittelemalla satoja saariuniversumia. Nämä galaksit näyttivät olevan olemassa muutamissa vallitsevissa muodoissa ja koossa, joten Hubble kehitti perusluokitusjärjestelmän, joka tunnetaan nimellä äänihaarukkakaavio: Se jakaa galaksit kahteen luokkaan, elliptisiin ja spiraaleihin.

Tähtitieteilijät käyttävät edelleen tätä mallia galaksien, mukaan lukien meidän, luokitteluun. Linnunrata on toistaiseksi spiraali, jonka käsivarret ovat tähtien (ja siten planeettojen) tärkeimmät kasvustot. Puolen vuosisadan ajan tähtitieteilijät luulivat, että on olemassa neljä päähaaraa - Jousimies-, Orion-, Perseus- ja Cygnus-käsivarret (elämme pienemmässä haarassa, jota kutsuttiin mielikuvituksettomasti paikalliseksi käsivarreksi). Mutta uudet mittaukset superjättitähtistä ja muista esineistä antavat toisenlaisen kuvan, eivätkä tähtitieteilijät ole enää yksimielisiä käsivarsien lukumäärästä tai koosta tai edes siitä, onko galaksimme saarten joukossa outo pallo.

"Hämmästyttävää on, että melkein missään ulkoisessa galaksissa ei ole neljää spiraalia, jotka ulottuvat niiden keskuksista ulkoalueilleen." Xu Ye, Kiinan Purple Mountainin observatorion tähtitieteilijä, sanoi sähköpostissa.

Linnunradan kierrehaarojen jäljittämiseksi Ye ja kollegat käyttivät Gaiaa ja maassa sijaitsevia radioteleskooppeja etsiessään nuoria tähtiä. He havaitsivat, että muiden spiraaligalaksien tavoin Linnunradalla on vain kaksi päähaaraa, Perseus ja Norma. Useat pitkät, epäsäännölliset käsivarret kiertyvät myös sen ytimen ympärille, mukaan lukien Centaurus-, Jousi-, Carina-, Outer- ja Local käsivarret. Näyttää siltä, ​​että Linnunrata saattaa ainakin muodoltaan muistuttaa kaukaisia ​​kosmisia saaria kuin tähtitieteilijät ajattelivat.

"Spiraalin muotoisen Linnunradan tutkiminen saattaa paljastaa, onko se ainutlaatuinen havainnoitavissa olevan maailmankaikkeuden miljardien galaksien joukossa", Ye kirjoitti.

Kosmiset rannat

Hubblen tutkimus Andromedasta ja sen muuttuvasta tähdestä johtui hänen kiivasta kilpailustaan ​​toisen kuuluisan astronomin, Mount Wilsonin, Harlow Shapleyn, kanssa. Harvardin tähtitieteilijä Henrietta Swan Leavitt oli ollut edelläkävijä Kefeidi-muuttuvien tähtien käyttämisessä etäisyyksien mittaamiseen, ja hänen menetelmäänsä käyttäen Shapley oli laskenut, että Linnunradan halkaisija oli 300,000 1919 valovuotta – hämmästyttävä väite vuonna 3,000, jolloin useimmat tähtitieteilijät uskoivat auringon olevan galaksin keskustassa ja että koko galaksi ulottui XNUMX valovuoteen. Shapley väitti siis, että muiden "spiraalisumujen" on oltava kaasupilviä eivätkä erillisiä galakseja, koska niiden koko tarkoittaisi, että ne olisivat käsittämättömän kaukana.

Hubble puolestaan ​​kirjoitti muuttuvan tähtimittauksensa ja vakuutti kaikki, että Andromeda oli todellakin erillinen galaksi. "Tässä on kirje, joka tuhosi universumini", Shapley sanoi nähtyään Hubblen tiedot.

Tähtitieteellisten etäisyyksien kannalta Shapley ei kuitenkaan ehkä ollut niin kaukana. Välillä olevalla vuosisadalla tähtitieteilijät ovat laskeneet, että Linnunradan pullistuman halkaisija on noin 12,000 120,000 valovuotta, levyn kattaa XNUMX XNUMX valovuotta ja että pimeän aineen ja muinaisten tähtijoukkojen halo ulottuu satoja tuhansia valovuosia. joka suuntaan.

Tuore havainto havaitsi, että jotkut halotähdet ovat hajallaan jopa miljoonan valovuoden etäisyydellä - Andromedan puolivälissä - mikä viittaa siihen, että halo ja siten galaksi ei ole sinänsä aivan saariuniversumi.

Tähtitieteilijät johdolla Jesse Han, jatko-opiskelija Harvard-Smithsonian Center for Astrophysicsissä, totesi äskettäin, että tähtien halo ei ole pallomainen, kuten pitkään oletettiin, vaan jalkapallon muotoinen. Töissä julkaistu syyskuun 14Han ja hänen tiiminsä osoittivat myös, että pimeän aineen halo saattaa olla kallistunut noin 25 astetta, mikä saa koko galaksin näyttämään vääntyneeltä.

Ja vaikka se saattaa tuntua tarpeeksi oudolta, itse kallistus voi olla todiste Linnunradan väkivaltaisesta menneisyydestä.

Häiriö galaksissa

Aioneita ennen kuin Hubble istui okulaarissa, aikoja ennen kuin aurinko syntyi, kauan ennen Linnunradan olemassaoloa, alkuräjähdys puristi kaiken aineen ja hajotti sitä umpimähkäisesti vastasyntyneen kosmoksen ympärille. Ensimmäiset galaksit muodostuivat lopulta satunnaisen detrituksen palasista ja aloittivat 13 miljardin vuoden sekvenssin, joka johti meihin. Tähtitieteilijät keskustelevat näiden tapahtumien monimutkaisuudesta, mutta he tietävät, että galaksi, jonka nyt asumme, kasvoi monimutkaisen prosessin kautta, joka sisälsi fuusiot ja yrityskaupat.

Kaikkialla universumissa galaksit törmäävät ja yhdistyvät käsittämättömän valtaviin onnettomuuksiin. Edwin Hubblen mukaan nimetty teleskooppi vangitsee nämä kosmiset kasat koko ajan. Ja vaikka se onkin nykyään suhteellisen tyyni, Linnunrata ei ole poikkeus: seulomalla tähtien, kaasuvirtojen, tuhansien tai miljoonien tähtien pallomaisten ryhmien ja jopa nieltyjen kääpiögalaksien varjojen säilyttämiä arkeologisia asiakirjoja, tiedemiehet oppivat lisää siitä, miten Linnunrata kehittyi.

Ensimmäiset vihjeet väkivallasta tulivat, kun tähtitieteilijät, jotka katselivat Palomarin observatorion kerroksisen 200 tuuman teleskoopin läpi (jota Hubble käytti ensimmäisenä), löysivät vuonna 1992 todisteita siitä, että Linnunrata repi halossa olevia pallomaisia ​​klustereita. Sloan Digital Sky Survey vahvisti tämän havainnon, ja radioteleskoopit havaitsivat myöhemmin, että galaksi myös hengitti. lähellä olevia kaasuvirtoja.

Vuoden 2018 puoliväliin mennessä tähtitieteilijät arvelivat, että Linnunrata oli sulautunut muutamiin pieniin galaksiin koko elinkaarensa ajan, mutta suurin osa näistä oli pieniä tapahtumia. Suurimman viimeaikaisen fuusion, 10 miljardia vuotta sitten, uskottiin olleen Jousimiehen kääpiöelliptinen galaksi, joka lahjoitti kaasuvirtoja ja tähtiryhmiä Linnunradan tähtien haloon. Mutta tähtitieteilijät eivät täysin ymmärtäneet näitä objekteja ennen kuin Gaia-satelliitti julkaisi toisen datasarjansa vuonna 2018.

Kun tähtitieteilijät tutkivat noin miljardin tähden yksityiskohtaisia ​​liikkeitä ja paikkoja, galaksissa ilmeni merkkejä suuresta häiriöstä – he näkivät galaktisen hylyn halossa. Siellä jotkut tähdet kiertävät äärimmäisissä kulmissa ja niillä on erilainen koostumus kuin toisilla, mikä viittaa siihen, että ne ovat peräisin jostain muualta.

Tähtitieteilijät pitivät näitä outoja tähtiä todisteena Linnunradan ja toisen galaksin välisestä titaanisesta törmäyksestä. Sulautuminen, joka tapahtui luultavasti 8–11 miljardia vuotta sitten, olisi tuhonnut katastrofaalisesti nuoren Linnunradan, repinyt toisen galaksin silpuiksi ja aiheuttanut uusien tähtien muodostumisen myrskyn.

Törmäävän galaksin jäännökset ovat nyt nimeltään Gaia-Makkara-Enceladus, mikä johtuu siitä, että kaksi ryhmää löysi itsenäisesti sulautumisen jäänteet. Eräs ryhmä nimesi sen kreikkalaisen jumaluuden Gaian, Maan ja kaiken elämän alkuäidin, ja hänen poikansa Enceladuksen mukaan. Toinen huomasi, että jäännökset näyttivät makkaralta. (Jotkut tähtitieteilijät riita että saapuva galaksi oli ainoa mukana, mikä sen sijaan viittaa siihen, että monet pienemmät törmäykset pidemmän ajanjakson aikana olisivat voineet johtaa nyt näkemiimme rakenteisiin.)

Fuusio muutti kaiken: Linnunradan halon kulkua, sisäistä pullistumaa ja litistynyttä kiekkoa.

Nyt tähtitieteilijät käyttävät erilaisia ​​​​työkaluja ymmärtääkseen Gaia-Makkara-Enceladus-kasauksen ajoituksen ja kuinka vauvan Linnunrata kasvoi sen seurauksena.

Maaliskuussa 2022, Maosheng Xiang ja Hans-Walter Rix Max Planck Institute for Astronomy aloitti määrittämällä Linnunradan 1.0:n, protogalaksin, joka oli olemassa ennen sulautumisia. He tekivät tämän käyttämällä antiikin aikaa valtavia tähtiä jotka ovat pienempiä kuin aurinko ja jotka ovat käyttäneet vetypolttoaineensa ja ovat nyt turvonneet. Jättiläisen tähden kirkkaus vastaa sen ikää, ja sen valo toimii sormenjäljenä sen syntymämateriaalista. Kun Xiang ja Rix käyttivät näitä vihjeitä päätelläkseen neljännesmiljoonan valtatähteen vaellushistoriaa, he havaitsivat, että paksu levy muodostui galaksien muodostumisteorioissa odotettua aikaisemmin – 13 miljardia vuotta sitten, tuskin silmänräpäyksessä alkuräjähdyksen jälkeen. .

Suositut kosmologiset teoriat viittaavat siihen, että tällaisten suurten, tarkasti määriteltyjen rakenteiden muodostumisen olisi pitänyt kestää kauemmin alkuräjähdyksen jälkeen. Ja silti he jatka rajaamista James Webbin avaruusteleskoopin havainnoissa kaukaisista galakseista, sanoi Rosemary Wyse, astrofyysikko Johns Hopkinsin yliopistosta.

"Voit yhdistää sen, miten uskomme galaksimme muodostuneen JWST:n näkemän kanssa. Voimmeko saada yhtenäisen kuvan galaksin muodostumisesta? Onko galaksimme tyypillinen?" hän sanoi.

Paksu levy saattoi olla olemassa ennen pääfuusiota, mutta ohut levy osui Gaia-Sausage-Enceladusin saapumisen kanssa, Xiang ja Rix löysivät. Tämä kaksiosainen kokoonpanoprosessi, joka tuottaa erillisiä tähtikiekkoja, voi olla yleinen, ja se voi olla ratkaisevan tärkeää tähtien muodostumisen kipinöissä. Syntyvyys on laskenut tuon vitun jälkeen, mutta Linnunrata tekee edelleen noin 10–20 uutta tähteä vuodessa.

Yuxi (Lucy) Lu, joka juuri muutti Columbian yliopistosta American Museum of Natural History -museoon, halusi ymmärtää galaktisen levyn historiaa ja kuinka se on muuttunut ajan myötä. Tätä varten hän tutki, kuinka kemialliset muutokset tähtien eliniän aikana voivat auttaa tunnistamaan niiden syntymäpaikan. Hän keskittyi samankaltaisiin turvonneisiin, suurikokoisiin tähtiin, ja uudessa, julkaisemattomassa työssään hän havaitsi, että metallirikkaat jättiläiset – ne, joissa oli paljon heliumia raskaampia alkuaineita – alkoivat kasvaa tosissaan Gaia-Makkara-Enceladus-fuusion aikaan. 11–8 miljardia vuotta sitten.

Todisteet Gaia-Makkara-Enceladusista kasaantuvat edelleen. Mutta tähtitieteilijät eivät vieläkään ymmärrä, miksi asiat ovat olleet rauhallisia siitä lähtien. Linnunradan kemiallinen historia ja rakennehistoria näyttävät epätyypillisiltä, ​​Lu sanoi.

Esimerkiksi Andromedalla on paljon väkivaltaisempi historia kuin Linnunradalla. Olisi outoa, että galaksimme jätettäisiin yksin niin pitkäksi aikaa, kun otetaan huomioon muiden galaksien historia ja vallitseva kosmologinen malli, jonka mukaan galaksit kasvavat törmäämällä toisiinsa, Wyse sanoi. ”Yhdistäminen on epätavallista ja kokoonpanohistoria. Se, olemmeko todella epätavallisia maailmankaikkeudessa… Sanoisin, että se on edelleen avoin kysymys”, hän sanoi.

Uuden saaren syntymä

Vaikka tähtitieteilijät kokoavat yhteen galaksin menneisyyttä, toiset tutkivat, kuinka galaksin lähialueet voivat olla yhtä erilaisia ​​kuin kaupungit ja esikaupunkialueet – tämä mahdollisuus herättää kysymyksen siitä, kuinka planeetat (ja ehkä elämä) jakautuvat galaksiin.

Täällä, paikallisen käsivarren yhden tähden ympärille, auringon ympärille muodostui kahdeksan planeettaa - neljä kivistä ja neljä kaasumaista. Mutta muut kädet voivat olla erilaisia. Nämä ympäristöt voivat tuottaa erilaisia ​​tähti- ja planeettapopulaatioita samalla tavalla kuin erikoistunut kasvisto ja eläimistö kehittyvät mantereilla, joilla on erilliset biosfäärit.

”Ehkä elämä voi syntyä vain todella hiljaisessa galaksissa. Ehkä elämä voi syntyä vain todella hiljaisen tähden ympärillä”, sanoi Jessie Christiansen, tähtitieteilijä Kalifornian teknologiainstituutista, joka tutkii galaktisia olosuhteita ja niiden vaikutuksia planeettojen rakentamiseen. ”Se on niin vaikeaa tämän tilastollisen otoksen kanssa; mikä tahansa [galaksistamme] voi olla tärkeää, tai mikään ei voi olla tärkeää."

Vuosisata sen jälkeen, kun Edwin Hubble kirjoitti "VAR!" lasilevyllä JWST:n näkökentässä erottuva galaksien kokoelma muuttaa sitä, mitä tiedämme kosmoksesta ja paikastamme siinä. Aivan kuten voimme käyttää Linnunrataa astrofysikaalisena observatoriona ymmärtääksemme laajempaa maailmankaikkeutta, voimme myös käyttää laajempaa universumia ja sen miljardeja galakseja ymmärtääksemme kotiamme ja sitä, miten olemme tulleet olemaan.

Tähtitieteilijät jatkavat sivun ottamista Hubblen pelikirjasta ja tutkivat Andromedaa, pohjoisen taivaan heikkoa ellipsiä. Kuten Gaia on tehnyt lähempänä kotia, Kitt Peakin kansallisen observatorion Dark Energy Spectroscopic Instrument mittaa yksittäisiä tähtiä Andromedassa ja tarkkailee niiden liikkeitä, ikää ja kemikaalien määrää. Wyse aikoo myös tutkia yksittäisiä tähtiä viereisessä galaksissa Mauna Keassa sijaitsevan Subaru-teleskoopin avulla.

Näin saat uuden kuvan Andromedan menneisyydestä ja uuden vertailun omaan galaksiimme. Se tarjoaa myös hämärän välähdyksen hyvin kaukaiseen tulevaisuuteen. Galaksimme tuhoaa lopulta kaksi pientä lähellä olevaa galaksia, Suuret ja Pienet Magellanin pilvet, jotka huutavat avaruuden halki meidän suuntaanmme. Galaksimme alkaa jo sulattaa niitä.

"Jos tarkkailemme tätä kaikkea miljardin vuoden kuluttua, se näyttäisi paljon sotkuisemmalta", Conroy sanoi. "Satumme olemaan aikaan, jolloin asiat ovat suhteellisen hiljaisia."

Seuraavaksi myös Andromeda tulee mukaan. Edwin Hubblen lasilevyjen yli ulottuva galaksi ei ole enää saariuniversumi. Andromeda ja Linnunrata kiertävät toisiaan kohti, ja niiden tähtien halot pyörivät yhdessä. Ajan mittaan, joka uhmaa ymmärrystä, levyt myös yhdistyvät, lämmittäen kylmää kaasua ja aiheuttaen sen tiivistymisen ja uusien tähtien syttymisen. Minkä tahansa seuraavaksi rakennettavan rakenteen reunoilla nousee esiin uusia aurinkoja ja niiden mukana uusia planeettoja. Mutta toistaiseksi kaikki on hiljaista, täällä ainoan koskaan tuntemamme galaksin paikallisessa käsivarressa.