V zvezdah Rimske ceste, zgodovina nasilja | Revija Quanta

Pozno zvečer 5. oktobra 1923 je Edwin Hubble sedel na okularju teleskopa Hooker na observatoriju Mount Wilson, na vrhu gora, ki gleda na kotlino Los Angelesa. Opazoval je objekt na severnem nebu. S prostim očesom je bil viden kot šibek madež. Toda skozi teleskop se je izostril v briljantno elipso, imenovano Andromedina meglica. Da bi rešil razpravo o velikosti Mlečne ceste - za katero se je takrat mislilo, da je celotno vesolje - je moral Hubble določiti Andromedino oddaljenost od nas.

V vidnem polju teleskopa je bila Andromeda velikanka. Hubble je potrpežljivo ujel več osvetlitev, ki so pokrivale številne steklene fotografske plošče, in v zgodnjih urah 6. oktobra je naredil 45-minutno osvetlitev na majhni stekleni plošči in načrkal »N«, kjer je videl tri nove zvezde ali nove. Toda ko je svojo sliko primerjal s fotografijami, ki so jih posneli drugi astronomi, je spoznal, da je ena od njegovih novih novih pravzaprav spremenljiva zvezda cefeida – vrsta zvezde, ki jo je mogoče uporabiti za merjenje astronomskih razdalj.

Izpraskal je en "N" in napisal "VAR!"

Hubble je uporabil to utripajočo zvezdo, da je izračunal, da je Andromeda od Zemlje oddaljena 1 milijon svetlobnih let, kar je veliko večja razdalja od premera Rimske ceste (bil je nekoliko stran; Andromeda je oddaljena približno 2.5 milijona svetlobnih let). In spoznal je, da Andromeda ni zgolj meglica, ampak celotno "otoško vesolje" - galaksija, ki se razlikuje od naše.

Z razdelitvijo kozmosa na domačo galaksijo in večje vesolje bi se lahko začelo resno preučevanje našega končnega doma - in tega, kako obstaja v tem vesolju. Zdaj, stoletje pozneje, astronomi še vedno prihajajo do nepričakovanih odkritij o edinem kozmičnem otoku, ki ga bomo kdaj naselili. Morda bodo lahko razložili nekatere značilnosti Mlečne ceste s ponovnim predstavljanjem, kako je nastajala in rasla v zgodnjem vesolju, s preučevanjem njene neenakomerne oblike in s preučevanjem njene sposobnosti za oblikovanje planetov. Najnovejši rezultati, zbrani v zadnjih štirih letih, zdaj slikajo naš dom kot edinstven kraj v edinstvenem času.

Zdi se, da smo imeli srečo, da živimo blizu posebej tihe zvezde na mirnem obrobju srednje stare, nenavadno nagnjene, ohlapno spiralne galaksije, ki je večino svojega obstoja ostala sama.

Naše otoško vesolje

Z zemeljske površine - če ste nekje v zelo temnem prostoru - lahko vidite samo svetel trak galaktičnega diska Rimske ceste, na robu. Toda galaksija, v kateri živimo, je veliko bolj zapletena.

V njenem središču se vrti supermasivna črna luknja, obdana z »izboklino«, vozlom zvezd, ki vsebuje nekaj najstarejših zvezdnih prebivalcev galaksije. Sledi "tanek disk" - struktura, ki jo lahko vidimo - kjer je večina zvezd Mlečne ceste, vključno s soncem, razdeljena na velikanske spiralne rokave. Tanek disk je obdan s širšim »debelim diskom«, ki vsebuje starejše zvezde, ki so bolj razširjene. Končno te strukture obdaja pretežno sferičen halo; večinoma je sestavljen iz temne snovi, vsebuje pa tudi zvezde in razpršen vroč plin.

Za izdelavo zemljevidov teh struktur se astronomi obrnejo na posamezne zvezde. Sestava vsake zvezde beleži njeno rojstno mesto, starost in natalne sestavine, tako da preučevanje zvezdne svetlobe omogoča obliko galaktične kartografije - kot tudi genealogijo. Z umeščanjem zvezd v čas in kraj lahko astronomi sledijo zgodovini in sklepajo, kako je bila Rimska cesta zgrajena, kos za kosom, v milijardah let.

Prvo večje prizadevanje za preučevanje prvobitne formacije Rimske ceste se je začelo v šestdesetih letih 1960. stoletja, ko so Olin Eggen, Donald Lynden-Bell in Alan Sandage, ki je bil nekdanji podiplomski študent Edwina Hubbla, trdili, da je galaksija propadla iz vrtečega se plinskega oblaka. Dolgo časa po tem so astronomi mislili, da je prva struktura, ki se pojavi v naši galaksiji, halo, ki mu sledi svetel, gost disk zvezd. Ko so na spletu prišli zmogljivejši teleskopi, so astronomi izdelali vse natančnejše zemljevide in začeli izpopolnjevati svoje predstave o tem, kako se je galaksija združila.

Vse se je spremenilo leta 2016, ko so na Zemljo prispeli prvi podatki s satelita Gaia Evropske vesoljske agencije. Gaia natančno meri poti milijonov zvezd po vsej galaksiji, kar astronomom omogoča, da izvedo, kje se te zvezde nahajajo, kako se premikajo skozi vesolje in kako hitro gredo. Z Gaio bi lahko astronomi naslikali ostrejšo sliko Mlečne ceste – tisto, ki je razkrila veliko presenečenj.

Izboklina ni sferična, temveč v obliki arašida in je del večje prečke, ki se razteza čez sredino naše galaksije. Sama galaksija je zvita kot rob ponotranjenega kavbojskega klobuka. Debel disk je prav tako razširjen, postaja debelejši proti svojim robom in je morda nastal pred halojem. Astronomi sploh niso prepričani, koliko spiralnih krakov ima galaksija v resnici.

Zemljevid našega otoškega vesolja ni tako urejen, kot se je nekoč zdelo. Niti tako mirno.

»Če pogledate tradicionalno sliko Mlečne ceste, imate ta lep sferični halo in lep pravilen disk in vse je nekako ustaljeno in mirujoče. Toda zdaj vemo, da je ta galaksija v stanju neravnovesja,« je dejal Charlie Conroy, astronom v centru za astrofiziko Harvard-Smithsonian. "Ta slika, da je preprosto in dobro urejeno, je bila v zadnjih nekaj letih res zavržena."

Nov zemljevid Mlečne ceste

Tri leta po tem, ko je Edwin Hubble ugotovil, da je Andromeda galaksija zase, so se on in drugi astronomi ukvarjali s slikanjem in razvrščanjem na stotine otoških vesolj. Zdelo se je, da te galaksije obstajajo v nekaj prevladujočih oblikah in velikostih, zato je Hubble razvil osnovno klasifikacijsko shemo, znano kot diagram tuning fork: deli galaksije v dve kategoriji, eliptične in spiralne.

Astronomi še vedno uporabljajo to shemo za kategorizacijo galaksij, vključno z našo. Zaenkrat je Rimska cesta spirala z rokavi, ki so glavni vrtci zvezd (in s tem planetov). Astronomi so pol stoletja mislili, da obstajajo štirje glavni rokavi - Strelec, Orion, Perzej in Labod (mi živimo v manjši veji, nedomiselno imenovani Lokalni rokav). Toda nove meritve zvezd super orjakinj in drugih objektov rišejo drugačno sliko in astronomi se ne strinjajo več o številu krakov ali njihovih velikostih ali celo o tem, ali je naša galaksija čudaška med otoki.

"Presenetljivo je, da skoraj nobena zunanja galaksija ne predstavlja štirih spiral, ki segajo od njihovih središč do njihovih zunanjih regij," Xu Ye, astronom iz kitajskega observatorija Purple Mountain, je dejal v elektronskem sporočilu.

Da bi sledili spiralnim rokavom Mlečne ceste, so Ye in njegovi sodelavci uporabili Gaio in zemeljske radijske teleskope za iskanje mladih zvezd. Ugotovili so, da ima Rimska cesta, tako kot druge spiralne galaksije, le dva glavna rokava, Perzej in Norma. Več dolgih, nepravilnih krakov se prav tako vije okoli njegovega jedra, vključno s Kentavrom, Strelcem, Karino, Zunanjim in Lokalnim krakom. Zdi se, da je Mlečna cesta vsaj po obliki bolj podobna oddaljenim vesoljskim otokom, kot so mislili astronomi.

"Proučevanje Rimske ceste v obliki spirale lahko razkrije, ali je edinstvena med milijardami galaksij v opazljivem vesolju," je zapisal Ye.

Kozmične obale

Hubblovo preučevanje Andromede in njene spremenljive zvezde je izhajalo iz njegovega hudega rivalstva z drugim slavnim astronomom na Mount Wilsonu, Harlowom Shapleyjem. Harvardska astronomka Henrietta Swan Leavitt je bila pionirka v uporabi spremenljivih zvezd cefeid za merjenje razdalj in s pomočjo njene metode je Shapley izračunal, da ima Mlečna cesta 300,000 svetlobnih let v premeru – osupljiva trditev leta 1919, ko je večina astronomov verjela, da je sonce v središču galaksije in da celotna galaksija obsega 3,000 svetlobnih let. Shapley je tako vztrajal, da morajo biti druge "spiralne meglice" plinski oblaki in ne ločene galaksije, ker bi njihova velikost pomenila, da so nepredstavljivo daleč.

Hubble je nato zapisal svoje meritve spremenljivih zvezd in vse prepričal, da je Andromeda res ločena galaksija. "Tukaj je pismo, ki je uničilo moje vesolje," naj bi rekel Shapley, potem ko je videl Hubblove podatke.

Kar zadeva astronomske razdalje, pa Shapley morda ni bil tako daleč. V vmesnem stoletju so astronomi izračunali, da je izboklina Mlečne ceste velika približno 12,000 svetlobnih let, da se disk razteza na 120,000 svetlobnih let in da se halo temne snovi in ​​starodavnih zvezdnih kopic razteza več sto tisoč svetlobnih let v vsako smer.

Nedavno opazovanje ugotovili, da so nekatere halo zvezde razpršene do 1 milijona svetlobnih let proč – na pol poti do Andromede – kar nakazuje, da halo in s tem galaksija nista otoško vesolje zase.

Astronomi pod vodstvom Jesse Han, podiplomski študent Harvard-Smithsonian centra za astrofiziko, je pred kratkim ugotovil, da zvezdni halo ni sferičen, kot se je dolgo domnevalo, ampak ima obliko nogometne žoge. V službi objavljeno 14. septembra, Han in njegova ekipa sta tudi pokazala, da je lahko halo temne snovi nagnjen za približno 25 stopinj, kar povzroči, da je celotna galaksija videti izkrivljena.

In čeprav se to morda zdi dovolj čudno, je nagib sam po sebi lahko dokaz nasilne preteklosti Mlečne ceste.

Motnja v galaksiji

Eone, preden je Hubble sedel za okularjem, stoletja preden se je rodilo sonce, dolgo preden je obstajala Rimska cesta, je veliki pok raztrgal vso snov in jo brez razlikovanja razpršil po novorojenem vesolju. Prve galaksije so sčasoma nastale iz koščkov naključnega detritusa, s čimer se je začelo 13 milijard let dolgo zaporedje, ki je pripeljalo do nas. Astronomi razpravljajo o tem, kako so se ti dogodki odvijali, vendar vedo, da je galaksija, v kateri živimo, rasla skozi zapleten proces, ki je vključeval združitve in prevzeme.

Po vsem vesolju galaksije trčijo in se združujejo v nepredstavljivo ogromne nesreče. Teleskop, imenovan po Edwinu Hubblu, zajema te kozmične kopice ves čas. In čeprav je danes razmeroma mirno, Mlečna cesta ni nobena izjema: s presejanjem skozi arheološke zapise, ki jih hranijo zvezde, tokovi plina, tako imenovane kroglaste kopice tisočev do milijonov zvezd in celo sence požrtih pritlikavih galaksij, znanstveniki izvedo več o tem, kako se je Rimska cesta razvila.

Prvi namigi o nasilju so se pojavili, ko so astronomi, ki so gledali skozi znameniti 200-palčni teleskop na observatoriju Palomar (ki ga je prvi uporabil Hubble), leta 1992 odkrili dokaze, da Rimska cesta raztrga nekaj kroglastih kopic v svojem haloju. Sloan Digital Sky Survey je to opazovanje potrdil, radijski teleskopi pa so pozneje ugotovili, da galaksija tudi vdihuje. tokovi bližnjega plina.

Do sredine leta 2018 so astronomi ugotovili, da se je Mlečna cesta v svojem življenju združila z nekaj majhnimi galaksijami, a da je bila večina teh dogodkov manjših. Največja nedavna združitev, pred 10 milijardami let, naj bi vključevala pritlikavo eliptično galaksijo Strelec, ki je zvezdnemu haloju Mlečne ceste darovala tokove plina in skupine zvezd. Toda astronomi teh predmetov niso povsem razumeli, dokler satelit Gaia leta 2018 ni objavil drugega nabora podatkov.

Ko so astronomi preučili podrobna gibanja in položaje približno milijarde zvezd, so se pojavili znaki velike motnje v galaksiji - videli so razbitine galaksije v haloju. Tam nekatere zvezde krožijo pod ekstremnimi koti in imajo drugačno sestavo kot druge, kar nakazuje, da izvirajo nekje drugje.

Astronomi so te nenavadne zvezde vzeli za dokaz titanskega trka med Rimsko cesto in drugo galaksijo. Združitev, ki se je verjetno zgodila pred 8 do 11 milijardami let, bi katastrofalno prekinila mlado Rimsko cesto, raztrgala drugo galaksijo na koščke in sprožila nevihto nastajanja novih zvezd.

Ostanki trčene galaksije se zdaj imenujejo Gaia-Sausage-Enceladus, kar je rezultat dveh ekip, ki sta neodvisno odkrili ostanke združitve. Ena ekipa ga je poimenovala po grškem božanstvu Gaia, prvinski materi Zemlje in vsega življenja, in njenem sinu Enceladusu. Drugi je opazil, da so ostanki podobni klobasi. (Nekateri astronomi spor da je prihajajoča galaksija edina vpletena, kar nakazuje, da bi številni manjši trki v daljšem obdobju lahko povzročili strukture, ki jih zdaj vidimo.)

Združitev je spremenila vse: potek haloja Rimske ceste, notranjo izboklino in sploščen disk.

Zdaj astronomi uporabljajo različna orodja, da bi razumeli čas kopičenja Gaia-Sausage-Enceladus in kako je posledično zrasla nova Mlečna cesta.

Marca 2022, Maosheng Xiang in Hans-Walter Rix z Inštituta Maxa Plancka za astronomijo začeli z opredelitvijo Mlečne ceste 1.0, proto-galaksije, ki je obstajala pred kakršnimi koli združitvami. To so storili z uporabo starodavnih subgigantske zvezde ki so manjše od sonca in ki so porabile svoje vodikovo gorivo in zdaj postajajo zabuhle. Svetlost zvezde pod orjakinje ustreza njeni starosti, njena svetloba pa služi kot prstni odtis njenega rojstnega materiala. Ko sta Xiang in Rix uporabila te namige, da bi sklepala o zgodovini selitve četrt milijona zvezd velikank, sta ugotovila, da je debel disk nastal prej, kot je bilo pričakovano v teorijah o nastanku galaksij - pred 13 milijardami let, komaj en utrip po velikem poku .

Priljubljene kozmološke teorije kažejo, da bi moralo trajati dlje, da bi po velikem poku nastale tako velike, natančno definirane strukture. In vendar so vztrajati v opazovanjih oddaljenih galaksij z vesoljskim teleskopom James Webb, je dejal Rosemary Wyse, astrofizik na univerzi Johns Hopkins.

»Lahko povežete, kako mislimo, da je nastala naša galaksija, s tem, kar vidi JWST. Ali lahko dobimo skladno sliko o tem, kako je nastala galaksija? Je naša galaksija tipična?" je rekla.

Debel disk je morda obstajal pred glavno združitvijo, toda tanek disk je sovpadel s prihodom Gaia-Sausage-Enceladus, sta ugotovila Xiang in Rix. Ta dvostranski proces sestavljanja, ki proizvaja različne zvezdne diske, je morda običajen in bi lahko bil ključen za sprožitev nastajanja zvezd. Rodnost se je od te norosti zmanjšala, vendar Mlečna cesta še vedno ustvari približno 10 do 20 novih zvezd na leto.

Yuxi (Lucy) Lu, ki se je pravkar preselil z Univerze Columbia v Ameriški muzej naravne zgodovine, je želel razumeti zgodovino galaktičnega diska in kako se je spreminjal skozi čas. Da bi to naredila, je preučevala, kako bi lahko kemične spremembe v življenju zvezd pomagale prepoznati njihove rojstne lokacije. Osredotočila se je na podobne napihnjene zvezde velikanke in v novem, neobjavljenem delu ugotovila, da so subvelikanke, bogate s kovinami – tiste z obilico elementov, težjih od helija – začele resno rasti v času združitve Gaia-Sausage-Enceladus, med 11 in 8 milijardami let nazaj.

Dokazi za Gaia-Sausage-Enceladus se še naprej kopičijo. Toda astronomi še vedno ne razumejo, zakaj so stvari od takrat mirne. Kemična zgodovina in strukturna zgodovina Rimske ceste se zdita netipični, je dejal Lu.

Andromeda ima na primer veliko bolj burno zgodovino kot Rimska cesta. Bilo bi nenavadno, da bi našo galaksijo tako dolgo pustili pri miru, glede na zgodovino drugih galaksij in prevladujoči kozmološki model, ki pravi, da galaksije rastejo tako, da se zaletavajo druga v drugo, je dejal Wyse. »Zgodovina združevanja je nenavadna, zgodovina sestavljanja pa. Ali smo dejansko nenavadni v vesolju … rekla bi, da je še vedno odprto vprašanje,« je dejala.

Rojstvo novega otoka

Medtem ko astronomi sestavljajo preteklost galaksije, drugi preučujejo, kako so lahko soseske galaksije med seboj tako različne kot mesta in predmestja – možnost, ki odpira vprašanje, kako so planeti (in morda življenje) porazdeljeni po galaksiji.

Tukaj se je okoli ene določene zvezde na lokalnem kraku oblikovalo osem planetov okoli sonca - štirje kamniti in štirje plinasti. Toda druge roke so lahko drugačne. Ta okolja lahko proizvedejo različne populacije zvezd in planetov na enak način, kot se specializirana flora in favna razvijajo na celinah z različnimi biosferami.

»Mogoče lahko življenje nastane le v res tihi galaksiji. Mogoče lahko življenje nastane le okoli res tihe zvezde,« je dejal Jessie Christiansen, astronom na Kalifornijskem tehnološkem inštitutu, ki proučuje galaktične pogoje in njihove učinke na izgradnjo planetov. »Tako težko je s tem statističnim vzorcem enega; vse [o naši galaksiji] je lahko pomembno ali pa nič ne more biti pomembno.«

Stoletje po tem, ko je Edwin Hubble napisal "VAR!" na stekleni plošči množica galaksij, ki se razčlenjujejo v vidnem polju JWST, spreminja tisto, kar vemo o kozmosu in našem mestu v njem. Tako kot lahko uporabimo Rimsko cesto kot astrofizični observatorij za razumevanje širšega vesolja, lahko uporabimo tudi širše vesolje in njegove milijarde galaksij, da razumemo naš dom in kako smo nastali.

Astronomi še naprej vzamejo stran iz Hubblovega priročnika in natančno preučujejo Andromedo, šibko elipso na severnem nebu. Kot je Gaia naredila bližje domu, bo instrument za spektroskopijo temne energije na nacionalnem observatoriju Kitt Peak meril posamezne zvezde v Andromedi in natančno preučeval njihovo gibanje, starost in številčnost kemikalij. Wyse prav tako načrtuje preučevanje posameznih zvezd v sosednji galaksiji z uporabo Subarujevega teleskopa na Mauna Kei.

To bo omogočilo nov pogled na Andromedino preteklost in novo primerjavo za našo galaksijo. Ponudil bo tudi šibek vpogled v zelo oddaljeno prihodnost. Naša galaksija bo sčasoma uničila dve majhni bližnji galaksiji, Veliki in Mali Magellanov oblak, ki kričita po vesolju v naši smeri. Naša galaksija jih že začenja prebavljati.

"Če bi vse to opazovali čez milijardo let, bi bilo videti veliko bolj grdo," je dejal Conroy. "Samo po naključju smo v času, ko je vse razmeroma mirno."

Nato se nam bo pridružila tudi Andromeda. Galaksija, ki zajema steklene plošče Edwina Hubbla, ne bo več otoško vesolje. Andromeda in Rimska cesta se bosta spirali ena proti drugi, njuni zvezdni haloji pa se bodo vrtinčili skupaj. V časovnih okvirih, ki kljubujejo razumevanju, se bodo diski tudi združili, segreli hladen plin in povzročili kondenzacijo ter vžig novih zvezd. Na robovih katere koli strukture, ki bo zgrajena naslednje, se bodo pojavila nova sonca in z njimi novi planeti. Toda za zdaj je vse tiho, tukaj na lokalnem kraku edine galaksije, ki jo bomo kdaj poznali.