A Tejút csillagaiban, az erőszak története | Quanta Magazin

5. október 1923-én késő este Edwin Hubble a Hooker-teleszkóp szemlencséjénél ült a Mount Wilson Obszervatóriumban, a hegyek tetején, kilátással a Los Angeles-i medencére. Egy objektumot figyelt meg az északi égbolton. Szabad szemmel halvány foltként látszott. De egy teleszkópon keresztül ragyogó ellipszissé élesedett, amelyet Androméda-ködnek neveznek. A Hubble-nak meg kellett határoznia Androméda tőlünk való távolságát, hogy eldöntse a Tejútrendszer méretéről szóló vitát – amelyről akkoriban az egész univerzumnak számított.

A teleszkóp látóterében az Androméda egy óriás volt. Hubble türelmesen megörökített több expozíciót, amelyek sok üveg fotólemezt fedtek le, és október 6-án a hajnali órákban 45 perces expozíciót készített egy kis üveglapon, és ráfirkálta az „N”-t, ahol három új csillagot, vagyis novát látott. Ám amikor összehasonlította képét más csillagászok fényképeivel, rájött, hogy az egyik új novája valójában egy Cefeida változócsillag – egy olyan típusú csillag, amely csillagászati ​​távolságok mérésére használható.

Kikarcolt egy „N”-t, és ráírta, hogy „VAR!”

Hubble ennek a pulzáló csillagnak a segítségével kiszámította, hogy az Androméda 1 millió fényévnyire van a Földtől, sokkal nagyobb távolságra, mint a Tejút átmérője (kicsit távol volt tőle; az Androméda körülbelül 2.5 millió fényévre van). És rájött, hogy az Androméda nem puszta köd, hanem egy egész „sziget-univerzum” – egy galaxis, amely különbözik a miénktől.

A kozmosznak egy otthoni galaxissá és egy nagyobb univerzummá válásával a véges otthonunk tanulmányozása – és annak az univerzumon belüli létezésének módja – komolyan megkezdődhet. Most, egy évszázaddal később a csillagászok még mindig váratlan felfedezéseket tesznek az egyetlen kozmikus szigetről, amelyen valaha is lakunk. Lehetséges, hogy megmagyarázhatják a Tejútrendszer néhány jellemzőjét, ha újragondolják, hogyan keletkezett és nőtt a korai univerzumban, alaposan megvizsgálják egyenetlen alakját, és tanulmányozzák bolygóképző képességét. A legfrissebb, az elmúlt négy év során felhalmozott eredmények most egy egyedi helyként, egyedi időben festik otthonunkat.

Úgy tűnik, szerencsénk volt, hogy egy különösen csendes csillag közelében élhetünk egy középkorú, furcsán dőlt, lazán spirálisan forgó galaxis nyugodt peremén, amely létezésének nagy részében magára maradt.

Szigeti univerzumunk

A Föld felszínéről – ha valahol nagyon sötétben tartózkodik – csak a Tejútrendszer galaktikus korongjának éles csíkja látható. De a galaxis, amelyben élünk, sokkal bonyolultabb.

Középpontjában egy szupermasszív fekete lyuk kavar, körülvéve a „domborulattal”, egy csillagcsomóval, amely a galaxis legrégebbi csillaglakóit tartalmazza. Következik a „vékony korong” – az a szerkezet, amelyet láthatunk –, ahol a Tejútrendszer legtöbb csillaga, beleértve a Napot is, hatalmas spirális karokra tagolódik. A vékony korongot egy szélesebb „vastag korong” foglalja magában, amely régebbi csillagokat tartalmaz, amelyek jobban el vannak terítve. Végül egy többnyire gömb alakú glória veszi körül ezeket a szerkezeteket; többnyire sötét anyagból áll, de csillagokat és diffúz forró gázt is tartalmaz.

E szerkezetek térképének elkészítéséhez a csillagászok az egyes csillagokhoz fordulnak. Minden csillag összetétele rögzíti a születési helyét, korát és születési összetevőit, így a csillagfény tanulmányozása lehetővé teszi a galaktikus térképészet egy formáját – valamint a genealógiát. A csillagok időben és helyen történő elhelyezésével a csillagászok visszakövethetik a történelmet, és következtethetnek arra, hogyan épült fel a Tejút, darabról darabra, évmilliárdok alatt.

Az ősi Tejútrendszer kialakulásának tanulmányozására tett első nagyobb erőfeszítés az 1960-as években kezdődött, amikor Olin Eggen, Donald Lynden-Bell és Alan Sandage, aki Edwin Hubble egykori végzős diákja volt, azzal érvelt, hogy a galaxis egy forgó gázfelhőtől omlott össze. A csillagászok ezt követően sokáig úgy gondolták, hogy a galaxisunkban felbukkanó első szerkezet a halo, amelyet egy fényes, sűrű csillagkorong követ. Ahogy egyre nagyobb teljesítményű teleszkópok kerültek online, a csillagászok egyre pontosabb térképeket készítettek, és elkezdték finomítani elképzeléseiket arról, hogyan jött létre a galaxis.

Minden megváltozott 2016-ban, amikor az Európai Űrügynökség Gaia műholdjáról visszaérkeztek az első adatok a Földre. A Gaia pontosan méri csillagok millióinak útját a galaxisban, így a csillagászok megtudhatják, hol találhatók ezek a csillagok, hogyan mozognak az űrben és milyen gyorsan haladnak. A Gaia segítségével a csillagászok élesebb képet festhettek a Tejútról – amely számos meglepetést rejt magában.

A dudor nem gömb alakú, hanem földimogyoró alakú, és egy nagyobb, galaxisunk közepén átívelő rúd része. Maga a galaxis elvetemült, mint egy felvert cowboykalap karimája. A vastag korong is kiszélesedik, a szélei felé egyre vastagabb, és a halo előtt keletkezhetett. A csillagászok még abban sem biztosak, hogy valójában hány spirálkarja van a galaxisnak.

Sziget-univerzumunk térképe nem olyan szép, mint amilyennek valaha tűnt. Nem is olyan nyugodtan.

„Ha megnézzük a Tejútrendszer hagyományos képét, akkor van egy szép gömbölyű glóriánk és egy szép szabályos kinézetű korong, és minden leülepedett és álló. De most már tudjuk, hogy ez a galaxis egyensúlyhiányban van” – mondta Charlie Conroy, a Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központ csillagásza. "Ez az egyszerű és jól rendezett kép az elmúlt néhány évben nagyon kidobott."

A Tejútrendszer új térképe

Három évvel azután, hogy Edwin Hubble rájött, hogy az Androméda egy önálló galaxis, ő és más csillagászok több száz sziget-univerzum képalkotásával és osztályozásával voltak elfoglalva. Úgy tűnt, hogy ezek a galaxisok néhány uralkodó formában és méretben léteznek, ezért a Hubble kifejlesztett egy alapvető osztályozási sémát, amely a hangvilla diagram néven ismert: a galaxisokat két kategóriába, elliptikusra és spirálra osztja.

A csillagászok még mindig ezt a sémát használják a galaxisok kategorizálására, beleértve a miénket is. Egyelőre a Tejútrendszer egy spirál, amelynek karjai a csillagok (és így a bolygók) fő nevelőhelyei. Fél évszázadon keresztül a csillagászok azt hitték, hogy négy fő kar létezik – a Nyilas, az Orion, a Perseus és a Cygnus kar (egy kisebb ágban élünk, amit fantáziátlanul Helyi karnak hívnak). A szuperóriás csillagok és más objektumok új mérései azonban más képet rajzolnak, és a csillagászok már nem értenek egyet a karok számában vagy méretükben, és még abban sem, hogy galaxisunk a szigetek között van-e.

„Megdöbbentő módon szinte egyetlen külső galaxis sem tartalmaz négy spirált, amelyek a középpontjuktól a külső régióikig terjednek” Xu Ye, a kínai Purple Mountain Obszervatórium csillagásza mondta egy e-mailben.

A Tejútrendszer spirális karjainak nyomon követésére Ye és munkatársai Gaia és földi rádióteleszkópokat használtak fiatal csillagok keresésére. Azt találták, hogy más spirálgalaxisokhoz hasonlóan a Tejútrendszernek is csak két fő karja van, a Perseus és a Norma. Számos hosszú, szabálytalan kar is körbefut a mag körül, köztük a Centaurus, a Nyilas, a Carina, a külső és a helyi karok. Úgy tűnik, hogy a Tejút legalábbis alakját tekintve jobban hasonlít a távoli kozmikus szigetekre, mint azt a csillagászok gondolták.

"A spirál alakú Tejútrendszer tanulmányozása feltárhatja, hogy egyedülálló-e a megfigyelhető univerzum több milliárd galaxisa között" - írta Ye.

Kozmikus partok

Hubble Andromédáról és annak változócsillagáról folytatott tanulmányai abból adódott, hogy heves rivalizálást folytatott a Mount Wilson egy másik híres csillagászával, Harlow Shapley-vel. Henrietta Swan Leavitt, a harvardi csillagász úttörője volt a Cefeida változócsillagok távolságmérési használatának, és módszerével Shapley kiszámította, hogy a Tejút 300,000 1919 fényév átmérőjű – ez egy elképesztő állítás 3,000-ben, amikor a legtöbb csillagász azt hitte, hogy a Nap. a galaxis középpontjában, és hogy az egész galaxis XNUMX fényévet ölel fel. Shapley ezért ragaszkodott ahhoz, hogy a többi „spirálködnek” gázfelhőknek kell lennie, nem pedig különálló galaxisoknak, mert méretük azt jelentené, hogy elképzelhetetlenül távol vannak.

Hubble pedig felírta változócsillag-méréseit, és mindenkit meggyőzött arról, hogy az Androméda valóban egy külön galaxis. „Íme a levél, amely elpusztította az univerzumomat” – mondta Shapley, miután meglátta Hubble adatait.

A csillagászati ​​távolságokat tekintve azonban Shapley nem lehetett olyan messze. A közbenső évszázadban a csillagászok kiszámították, hogy a Tejútrendszer kidudorodása körülbelül 12,000 120,000 fényév átmérőjű, a korong XNUMX XNUMX fényévre terjed ki, és hogy a sötét anyag és az ősi csillaghalmazok halója több százezer fényévre terjed ki. minden irányba.

Egy friss megfigyelés azt találta, hogy egyes halocsillagok 1 millió fényévre is szétszóródtak – félúton Andromédához –, ami arra utal, hogy a halo, és így a galaxis önmagában nem egy sziget-univerzum.

Csillagászok vezetésével Jesse Han, a Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics végzős hallgatója a közelmúltban megállapította, hogy a csillagok fényudvarja nem gömb alakú, ahogyan azt sokáig feltételezték, hanem focilabda alakú. Munkában szeptember 14-én jelent megHan és csapata azt is kimutatta, hogy a sötét anyag halója körülbelül 25 fokkal megdőlhet, amitől az egész galaxis elvetemültnek tűnik.

És bár ez elég furcsának tűnhet, maga a dőlés bizonyítéka lehet a Tejút erőszakos múltjának.

Zavar a galaxisban

Eonokkal azelőtt, hogy Hubble ült volna az okulárnál, évekkel a Nap születése előtt, jóval a Tejútrendszer létezése előtt, az Ősrobbanás szétzúzta az összes anyagot, és válogatás nélkül szétszórta az újszülött kozmoszban. Az első galaxisok végül véletlenszerű törmelékdarabokból alakultak ki, elindítva egy 13 milliárd éves sorozatot, amely elvezetett hozzánk. A csillagászok vitatkoznak az események kibontakozásának bonyolultságáról, de tudják, hogy a galaxis, amelyben most élünk, egy összetett folyamat révén nőtt, amely egyesüléseket és felvásárlásokat is magában foglalt.

Az egész univerzumban galaxisok ütköznek, és elképzelhetetlenül hatalmas katasztrófákká egyesülnek. Az Edwin Hubble-ról elnevezett távcső rögzíti ezeket a kozmikus kupacokat mindig. És bár ma viszonylag nyugodt a helyzet, a Tejútrendszer sem kivétel: a csillagok, gázáramok, úgynevezett gömbhalmazok, több ezertől millióig terjedő csillaghalmazok, sőt a felemésztett törpegalaxisok árnyékai által őrzött régészeti feljegyzések átszűrésével a tudósok többet tanulnak a Tejútrendszer fejlődéséről.

Az erőszakra utaló első jelek akkor jelentkeztek, amikor a Palomar Obszervatórium 200 hüvelykes teleszkópján keresztül (amelyet a Hubble használt először) a csillagászok 1992-ben bizonyítékot találtak arra vonatkozóan, hogy a Tejútrendszer szétszedi néhány gömbhalmazt a fényudvarában. A Sloan Digital Sky Survey megerősítette ezt a megfigyelést, és a rádióteleszkópok később megállapították, hogy a galaxis is belélegzett. közeli gázáramok.

2018 közepére a csillagászok arra a következtetésre jutottak, hogy a Tejútrendszer élete során egyesült néhány kis galaxissal, de ezek többsége kisebb esemény volt. A legutóbbi, 10 milliárd évvel ezelőtti legnagyobb egyesülésről azt gondolták, hogy a Nyilas Törpe Elliptikus Galaxis érintett, amely gázfolyamokat és csillagcsoportokat adományozott a Tejútrendszer csillagvilágának. A csillagászok azonban nem értették meg teljesen ezeket az objektumokat, amíg a Gaia műhold ki nem adta második adatkészletét 2018-ban.

Miközben a csillagászok körülbelül egymilliárd csillag részletes mozgását és helyzetét vizsgálták, a galaxisban bekövetkezett jelentős zavar jelei tűntek fel – galaktikus roncsokat láttak a fényudvarban. Ott egyes csillagok szélsőséges szögben keringenek, és más összetételűek, mint másoknak, ami arra utal, hogy valahonnan máshonnan keletkeztek.

A csillagászok ezeket a furcsa csillagokat a Tejútrendszer és egy másik galaxis közötti titáni ütközés bizonyítékának tekintették. Az egyesülés, amely valószínűleg 8 és 11 milliárd évvel ezelőtt történt, katasztrofálisan megzavarta volna a fiatal Tejútrendszert, darabokra szakította volna a másik galaxist, és új csillagkeletkezési tűzvihart robbantott volna ki.

Az összeütköző galaxis maradványait ma Gaia-Sausage-Enceladusnak hívják, melynek eredményeként két csapat egymástól függetlenül fedezte fel az egyesülés maradványait. Egy csapat a görög Gaia istenségről, a Föld és minden élet ősanyjáról és fiáról, Enceladusról nevezte el. A másik észrevette, hogy a maradványok úgy néznek ki, mint egy kolbász. (Néhány csillagász vita hogy a bejövő galaxis volt az egyetlen érintett, ami ehelyett azt sugallja, hogy sok kisebb ütközés hosszabb időn keresztül olyan struktúrákat eredményezhetett, amelyeket most látunk.)

Az összeolvadás mindent megváltoztatott: a Tejútrendszer halójának menetét, a belső dudort és a lapított korongot.

A csillagászok most különféle eszközöket használnak, hogy megértsék a Gaia-Kolbász-Enceladus halom időzítését, és hogyan nőtt fel ennek eredményeként a csecsemő Tejútrendszer.

Márciusban az 2022, Maosheng Xiang és a Hans-Walter Rix A Max Planck Csillagászati ​​Intézet munkatársa a Milky Way 1.0 meghatározásával kezdte, a protogalaxist, amely minden egyesülés előtt létezett. Ők ezt az ősi felhasználásával tették óriás csillagok amelyek kisebbek, mint a Nap, és amelyek elhasználták a hidrogén üzemanyagukat, és most egyre puffadtak. Egy óriáscsillag fényessége megfelel a korának, fénye pedig születési anyagának ujjlenyomataként szolgál. Amikor Xiang és Rix ezeket a nyomokat arra használta, hogy negyedmillió óriás alatti csillag vándorlási történetére következtessenek, azt találták, hogy a vastag korong a galaxisképződés-elméletek által vártnál korábban alakult ki – 13 milliárd évvel ezelőtt, alig egy szempillantásnyira az Ősrobbanás után. .

A népszerű kozmológiai elméletek azt sugallják, hogy az ősrobbanás után hosszabb időnek kellett volna eltelnie ahhoz, hogy ilyen nagy, jól körülhatárolható struktúrák kialakuljanak. És mégis ők előkerül folyamatosan a James Webb Űrteleszkóp távoli galaxisok megfigyeléseiben Rosemary Wyse, a Johns Hopkins Egyetem asztrofizikusa.

„Összekapcsolhatja, hogy szerintünk hogyan alakult ki galaxisunk azzal, amit a JWST lát. Lehet-e koherens képünk egy galaxis kialakulásáról? Tipikus a mi galaxisunk?” azt mondta.

A vastag korong létezhetett a fő egyesülés előtt is, de a vékony korong egybeesett Gaia-Sausage-Enceladus érkezésével, Xiang és Rix megtalálta. Ez a kétirányú összeszerelési folyamat, amely különálló csillagkorongokat állít elő, általános lehet, és döntő jelentőségű lehet a csillagkeletkezésben. A születések száma az őrület óta csökken, de a Tejútrendszer még mindig körülbelül 10-20 új csillagot hoz évente.

Yuxi (Lucy) Lu, aki most költözött a Columbia Egyetemről az Amerikai Természettudományi Múzeumba, szerette volna megérteni a galaktikus korong történetét és azt, hogyan változott az idők során. Ennek érdekében azt tanulmányozta, hogy a csillagok élettartama során bekövetkezett kémiai változások hogyan segíthetik a születési helyük azonosítását. Hasonló puffadt, óriás sztárokra összpontosított, és új, kiadatlan munkáiban azt találta, hogy a fémekben gazdag óriások – amelyek bőségesen tartalmaznak a héliumnál nehezebb elemeket – a Gaia, Kolbász és Enceladus egyesülése körül kezdtek komolyan növekedni. 11-8 milliárd évvel ezelőtt.

A Gaia-Sausage-Enceladus bizonyítékai folyamatosan gyűlnek. De amit a csillagászok még mindig nem értenek, az az, hogy a dolgok azóta is nyugodtak. A Tejútrendszer kémiai története és szerkezeti története atipikusnak tűnik, mondta Lu.

Az Andromédának például sokkal erőszakosabb története van, mint a Tejútnak. Különös lenne, ha galaxisunk ilyen sokáig egyedül maradna, figyelembe véve más galaxisok történetét és az uralkodó kozmológiai modellt, amely szerint a galaxisok úgy nőnek, hogy egymásba ütköznek, mondta Wyse. „Az egyesülés története szokatlan, és az összeszerelés története. Hogy valóban szokatlanok vagyunk-e az univerzumban… azt mondanám, még nyitott kérdés” – mondta.

Egy új sziget születése

Még amikor a csillagászok összerakják a galaxis múltját, mások azt tanulmányozzák, hogy a galaxis környékei miként különbözhetnek egymástól, mint a városok és a külvárosok – ez a lehetőség felveti a kérdést, hogy a bolygók (és talán az élet) hogyan oszlanak meg a galaxisban.

Itt, a Helyi Kar egy bizonyos csillaga körül nyolc bolygó alakult ki a Nap körül – négy sziklás és négy gáznemű. De más karok eltérőek lehetnek. Ezek a környezetek különböző csillag- és bolygópopulációkat hozhatnak létre, ugyanúgy, ahogyan a speciális növény- és állatvilág fejlődik az eltérő bioszférával rendelkező kontinenseken.

„Talán élet csak egy igazán csendes galaxisban keletkezhet. Lehet, hogy élet csak egy igazán csendes csillag körül keletkezhet” – mondta Jessie Christiansen, a California Institute of Technology csillagásza, aki a galaktikus viszonyokat és azok bolygóépítésre gyakorolt ​​hatásait tanulmányozza. „Olyan nehéz ezzel a statisztikai mintával; bármi [galaxisunkkal kapcsolatban] lehet fontos, vagy semmi sem lehet fontos.”

Egy évszázaddal azután, hogy Edwin Hubble beírta a „VAR!” üveglapon a JWST látómezejében feloldódó galaxisok sokasága megváltoztatja azt, amit a kozmoszról és a benne elfoglalt helyünkről tudunk. Ahogy a Tejútrendszert asztrofizikai obszervatóriumként használhatjuk a tágabb univerzum megértéséhez, a tágabb univerzumot és annak több milliárd galaxisát is felhasználhatjuk otthonunk és létrejöttünk megértésére.

A csillagászok továbbra is elővesznek egy oldalt Hubble játékkönyvéből, és alaposan megvizsgálják az Andromédát, az északi égbolt halvány ellipszist. Ahogyan Gaia közelebb került az otthonához, a Kitt Peak Nemzeti Obszervatóriumban működő Dark Energy Spectroscopic Instrument megméri az Androméda egyes csillagait, és alaposan megvizsgálja mozgásukat, életkorukat és kémiai mennyiségüket. A Wyse a szomszédos galaxis egyes csillagainak tanulmányozását is tervezi a Mauna Keán lévő Subaru teleszkóp segítségével.

Ezzel új képet adunk az Androméda múltjáról, és új összehasonlítást adunk saját galaxisunkhoz. Halvány bepillantást nyújt a nagyon távoli jövőbe is. Galaxisunk végül elpusztít két közeli kis galaxist, a Nagy és Kis Magellán-felhőt, amelyek felénk sikoltoznak az űrben. Galaxisunk már kezdi megemészteni őket.

„Ha mindezt egymilliárd év múlva megfigyelnénk, sokkal zavarosabbnak tűnne” – mondta Conroy. "Csak olyan időben vagyunk, amikor a dolgok viszonylag csendesek."

Ezután Andromeda is csatlakozik hozzánk. Az Edwin Hubble üveglapjain átívelő galaxis többé nem lesz sziget-univerzum. Az Androméda és a Tejút spirálisan egymás felé fog haladni, és csillagviláguk együtt kavarog. Az idők során, amelyek dacolnak a felfogással, a korongok is egyesülnek, felmelegítve a hideg gázt, ami azt eredményezi, hogy az összesűrűsödik, és új csillagokat gyújtanak meg. Bármelyik szerkezet peremén, amelyet ezután építenek, új napok fognak megjelenni, és velük együtt új bolygók. De egyelőre minden csendes, itt az egyetlen galaxis helyi karján, amelyet valaha is ismerni fogunk.