Samanyolu Yıldızlarında Şiddetin Tarihi | Quanta Dergisi

5 Ekim 1923 akşamı geç saatlerde Edwin Hubble, Los Angeles havzasına bakan dağların tepesindeki Mount Wilson Gözlemevi'ndeki Hooker teleskopunun göz merceğinin başına oturdu. Kuzey gökyüzünde bir nesneyi gözlemliyordu. Çıplak gözle bakıldığında hafif bir leke olarak görülüyordu. Ancak teleskopla bakıldığında Andromeda Bulutsusu adı verilen parlak bir elipse dönüştü. O zamanlar tüm evren olduğu düşünülen Samanyolu'nun büyüklüğü hakkındaki tartışmayı çözüme kavuşturmak için Hubble'ın Andromeda'nın bizden uzaklığını belirlemesi gerekiyordu.

Teleskobun görüş alanında Andromeda bir devdi. Hubble sabırla birçok cam fotoğraf plakasını kapsayan çeşitli pozlar yakaladı ve 6 Ekim'in erken saatlerinde küçük bir cam plaka üzerinde 45 dakikalık bir poz çekti ve üç yeni yıldız veya nova gördüğü yere "N" yazdı. Ancak görüntüsünü diğer gökbilimciler tarafından çekilen fotoğraflarla karşılaştırdığında, yeni novalarından birinin aslında Sefeid değişken yıldızı, yani astronomik mesafeleri ölçmek için kullanılabilecek bir yıldız türü olduğunu fark etti.

Bir “N” çizip “VAR!” yazdı.

Hubble, Andromeda'nın Dünya'dan 1 milyon ışıkyılı uzaklıkta olduğunu hesaplamak için bu titreşen yıldızı kullandı; bu, Samanyolu'nun çapından çok daha büyük bir mesafeydi (biraz uzaktaydı; Andromeda yaklaşık 2.5 milyon ışıkyılı uzaklıkta). Ve Andromeda'nın sadece bir bulutsu değil, bütünüyle bir "ada evreni", bizimkinden farklı bir galaksi olduğunu fark etti.

Kozmosun bir ana galaksiye ve daha büyük bir evrene bölünmesiyle, sonlu evimizin ve onun bu evrende nasıl var olduğunun incelenmesi ciddi anlamda başlayabilir. Şimdi, bir asır sonra, gökbilimciler hâlâ içinde yaşayacağımız tek kozmik ada hakkında beklenmedik keşifler yapıyorlar. Samanyolu'nun bazı özelliklerini, onun erken evrende nasıl oluştuğunu ve büyüdüğünü yeniden hayal ederek, düzensiz şeklini inceleyerek ve gezegen oluşturma yeteneğini inceleyerek açıklayabilirler. Son dört yılda elde edilen en son sonuçlar, artık evimizin eşsiz bir zamanda, eşsiz bir yer olduğu resmini çiziyor.

Görünen o ki, varoluşunun büyük bölümünde büyük ölçüde yalnız bırakılmış, orta yaşlı, garip bir şekilde eğik, gevşek sarmallı bir galaksinin sakin kenarlarında, özellikle sessiz bir yıldızın yakınında yaşadığımız için şanslıyız.

Ada Evrenimiz

Dünya yüzeyinden - eğer çok karanlık bir yerdeyseniz - yalnızca Samanyolu'nun galaktik diskinin parlak şeridini kenardan görebilirsiniz. Ancak yaşadığımız galaksi çok daha karmaşık.

Merkezinde süper kütleli bir kara delik yayılıyor ve galaksinin en eski yıldız sakinlerinden bazılarını içeren bir yıldız düğümü olan "şişkinlik" ile çevreleniyor. Daha sonra, Güneş de dahil olmak üzere Samanyolu'ndaki yıldızların çoğunun devasa sarmal kollara bölündüğü "ince disk" (görebildiğimiz yapı) geliyor. İnce disk, daha geniş bir alana yayılan yaşlı yıldızları içeren daha geniş bir "kalın disk" ile çevrelenmiştir. Son olarak, çoğunlukla küresel bir hale bu yapıları çevreliyor; çoğunlukla karanlık maddeden oluşur ama aynı zamanda yıldızları ve dağınık sıcak gazı da içerir.

Bu yapıların haritasını çıkarmak için gökbilimciler tek tek yıldızlara yöneliyor. Her yıldızın bileşimi onun doğum yerini, yaşını ve doğum içeriğini kaydeder; bu nedenle yıldız ışığını incelemek, bir tür galaktik haritacılığın yanı sıra soybilimi de mümkün kılar. Gökbilimciler, yıldızları zaman ve mekana göre konumlandırarak tarihin izini sürebilir ve Samanyolu'nun milyarlarca yıl boyunca parça parça nasıl inşa edildiğini anlayabilirler.

İlkel Samanyolu'nun oluşumunu araştırmaya yönelik ilk büyük çaba, 1960'larda Olin Eggen, Donald Lynden-Bell ve Edwin Hubble'ın eski yüksek lisans öğrencisi Alan Sandage'in galaksinin dönen bir gaz bulutu nedeniyle çöktüğünü iddia etmesiyle başladı. Bundan sonra uzun bir süre gökbilimciler galaksimizde ortaya çıkan ilk yapının hale olduğunu ve ardından parlak, yoğun bir yıldız diskinin geldiğini düşündüler. Daha güçlü teleskoplar kullanıma sunuldukça gökbilimciler giderek daha kesin haritalar oluşturdular ve galaksinin nasıl bir araya geldiğine dair fikirlerini geliştirmeye başladılar.

2016 yılında Avrupa Uzay Ajansı'nın Gaia uydusundan ilk verilerin Dünya'ya gelmesiyle her şey değişti. Gaia, galaksideki milyonlarca yıldızın yolunu hassas bir şekilde ölçerek gökbilimcilerin bu yıldızların nerede bulunduğunu, uzayda nasıl hareket ettiklerini ve ne kadar hızlı gittiklerini öğrenmelerine olanak tanıyor. Gaia sayesinde gökbilimciler Samanyolu'nun daha net bir resmini çizebildiler; bu resim birçok sürprizi ortaya çıkardı.

Çıkıntı küresel değil fıstık şeklindedir ve galaksimizin ortasını kapsayan daha büyük bir çubuğun parçasıdır. Galaksinin kendisi, yıpranmış bir kovboy şapkasının kenarı gibi çarpık. Kalın disk de genişlemiş, kenarlarına doğru kalınlaşmış ve haleden önce oluşmuş olabilir. Gökbilimciler galaksinin gerçekte kaç tane sarmal kola sahip olduğundan bile emin değiller.

Ada evrenimizin haritası bir zamanlar göründüğü kadar düzgün değil. O kadar da sakin değil.

"Samanyolu'nun geleneksel bir resmine baktığınızda, güzel bir küresel hale ve düzenli görünümlü hoş bir disk görürsünüz ve her şey bir nevi yerleşik ve durağandır. Ancak şu anda bildiğimiz şey bu galaksinin dengesiz bir durumda olduğudur" dedi. Charlie ConroyHarvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi'nde astronom. "Basit ve düzenli olduğuna dair bu tablo son birkaç yılda gerçekten de çöpe atıldı."

Samanyolu'nun Yeni Haritası

Edwin Hubble, Andromeda'nın başlı başına bir galaksi olduğunu fark ettikten üç yıl sonra, o ve diğer gökbilimciler yüzlerce ada evreni görüntüleme ve sınıflandırmakla meşguldü. Bu galaksiler birkaç geçerli şekil ve boyutta var gibi görünüyordu, bu yüzden Hubble diyapazon diyagramı olarak bilinen temel bir sınıflandırma şeması geliştirdi: Galaksileri eliptik ve spiral olmak üzere iki kategoriye ayırır.

Gökbilimciler bizimki de dahil olmak üzere galaksileri sınıflandırmak için hala bu şemayı kullanıyor. Şimdilik Samanyolu, yıldızların (ve dolayısıyla gezegenlerin) ana doğum yerleri olan kolları olan bir sarmaldır. Yarım yüzyıl boyunca gökbilimciler dört ana kol olduğunu düşündüler: Yay, Orion, Perseus ve Cygnus kolları (biz, hayal ürünü olmayan bir şekilde Yerel Kol olarak adlandırılan daha küçük bir dalda yaşıyoruz). Ancak süper dev yıldızların ve diğer nesnelerin yeni ölçümleri farklı bir tablo çiziyor ve gökbilimciler artık kolların sayısı veya boyutları veya galaksimizin adalar arasında tuhaf bir top olup olmadığı konusunda hemfikir değiller.

"Çarpıcı bir şekilde, neredeyse hiçbir dış gökada, merkezlerinden dış bölgelerine uzanan dört sarmal sunmuyor." Xu YeÇin'in Purple Mountain Gözlemevi'nden bir gökbilimci, bir e-postada şunları söyledi.

Samanyolu'nun sarmal kollarını izlemek için Ye ve meslektaşları genç yıldızları aramak amacıyla Gaia'yı ve yer tabanlı radyo teleskoplarını kullandılar. Diğer sarmal gökadalar gibi Samanyolu'nun da yalnızca iki ana kolu, Perseus ve Norma olduğunu buldular. Erboğa, Yay, Karina, Dış ve Yerel kollar da dahil olmak üzere birçok uzun, düzensiz kol da çekirdeğinin etrafında dolanır. Görünüşe göre Samanyolu en azından şekil olarak uzak kozmik adalara gökbilimcilerin düşündüğünden daha çok benziyor olabilir.

Ye, "Sarmal şekilli Samanyolu'nu incelemek, onun gözlemlenebilir evrendeki milyarlarca galaksi arasında benzersiz olup olmadığını ortaya çıkarabilir" diye yazdı.

Kozmik Kıyılar

Hubble'ın Andromeda ve onun değişken yıldızı hakkındaki çalışması, Wilson Dağı'ndaki bir başka ünlü gökbilimci Harlow Shapley ile olan şiddetli rekabetinden kaynaklandı. Harvard gökbilimcisi Henrietta Swan Leavitt, mesafeleri ölçmek için Cepheid değişken yıldızların kullanılmasına öncülük etmişti ve Shapley, onun yöntemini kullanarak, Samanyolu'nun 300,000 ışıkyılı genişliğinde olduğunu hesaplamıştı; bu, çoğu gökbilimcinin Güneş'in yıldız olduğuna inandığı 1919'da şaşırtıcı bir iddiaydı. Galaksinin merkezinde olduğunu ve tüm galaksinin 3,000 ışıkyıllık bir alana yayıldığını söyledi. Dolayısıyla Shapley, diğer "sarmal bulutsuların" ayrı galaksiler değil, gaz bulutları olması gerektiği konusunda ısrar etti, çünkü boyutları onların akıl almaz derecede uzakta oldukları anlamına geliyordu.

Hubble da değişken yıldız ölçümlerini yazdı ve herkesi Andromeda'nın gerçekten ayrı bir galaksi olduğuna ikna etti. Shapley'in Hubble'ın verilerini gördükten sonra "İşte evrenimi yok eden mektup" dediği bildirildi.

Ancak astronomik mesafeler açısından Shapley o kadar da uzakta olmayabilir. Aradan geçen yüzyılda gökbilimciler, Samanyolu'nun şişkinliğinin yaklaşık 12,000 ışıkyılı genişliğinde olduğunu, diskin 120,000 ışıkyıllık bir alanı kapladığını ve karanlık madde ile antik yıldız kümelerinin halesinin yüzbinlerce ışıkyılı boyunca uzandığını hesapladılar. her yöne.

Yakın zamanda yapılan bir gözlem bazı hale yıldızlarının 1 milyon ışık yılı uzaklığa (Andromeda'nın yarısına kadar) kadar dağıldığını buldu; bu da halenin ve dolayısıyla galaksinin kendi başına bir ada evren olmadığını gösteriyor.

liderliğindeki astronomlar Jesse HanHarvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi'nden yüksek lisans öğrencisi, yakın zamanda yıldız halesinin uzun zamandır varsayıldığı gibi küresel olmadığını, futbol topu şeklinde olduğunu belirledi. İşte 14 Eylül'de yayınlandıHan ve ekibi ayrıca karanlık madde halesinin yaklaşık 25 derece eğilebileceğini ve bunun tüm galaksinin çarpık görünmesine neden olabileceğini gösterdi.

Bu yeterince tuhaf görünse de eğimin kendisi Samanyolu'nun şiddetli geçmişinin kanıtı olabilir.

Galakside Bir Rahatsızlık

Hubble'ın göz merceğine oturmasından çağlar önce, güneşin doğmasından çağlar önce, Samanyolu'nun var olmasından çok önce, Büyük Patlama tüm maddeyi parçalara ayırdı ve onu yeni doğan evrene ayrım gözetmeksizin dağıttı. İlk galaksiler sonunda rastgele döküntü parçalarından oluştu ve bize ulaşan 13 milyar yıllık bir diziyi başlattı. Gökbilimciler bu olayların nasıl ortaya çıktığının inceliklerini tartışıyorlar, ancak şu anda içinde yaşadığımız galaksinin birleşme ve satın almaları içeren karmaşık bir süreç yoluyla büyüdüğünü biliyorlar.

Evrenin her yerinde galaksiler çarpışıyor ve birleşerek hayal edilemeyecek kadar büyük felaketlere yol açıyor. Adını Edwin Hubble'dan alan teleskop bu kozmik yığınları yakalıyor her zaman. Bugün nispeten sakin olmasına rağmen Samanyolu da bir istisna değildir: Yıldızların tuttuğu arkeolojik kayıtları, gaz akıntılarını, binlerce ila milyonlarca yıldızdan oluşan küresel kümeler olarak adlandırılanları ve hatta yutulmuş cüce galaksilerin gölgelerini eleyerek, bilim insanları Samanyolu'nun nasıl evrimleştiği hakkında daha fazla şey öğreniyor.

Şiddetin ilk ipuçları, Palomar Gözlemevi'ndeki (Hubble'ı ilk kullanan kişiydi) çok katlı 200 inçlik teleskoptan bakan gökbilimciler, 1992'de Samanyolu'nun halesindeki küresel kümelerden bazılarını parçaladığına dair kanıt bulduğunda geldi. Sloan Dijital Gökyüzü Araştırması bu gözlemi doğruladı ve daha sonra radyo teleskopları galaksinin de nefes aldığını tespit etti. yakındaki gaz akışları.

2018 ortalarında gökbilimciler, Samanyolu'nun ömrü boyunca birkaç küçük gökadayla birleştiğini ancak bunların çoğunun küçük olaylar olduğunu anladılar. 10 milyar yıl önce gerçekleşen en büyük birleşmenin, Samanyolu'nun yıldız halesine gaz akıntıları ve yıldız grupları bağışlayan Yay Cüce Eliptik Galaksisini kapsadığı düşünülüyordu. Ancak gökbilimciler, Gaia uydusu 2018'de ikinci veri setini yayınlayana kadar bu nesneleri tam olarak anlayamadılar.

Gökbilimciler yaklaşık bir milyar yıldızın ayrıntılı hareketlerini ve konumlarını incelerken galakside büyük bir karışıklığın işaretleri ortaya çıktı; halede galaktik enkaz gördüler. Orada, bazı yıldızlar aşırı açılarda yörüngede dönüyor ve diğerlerinden farklı bileşimlere sahip, bu da onların başka bir yerden kaynaklandığını gösteriyor.

Gökbilimciler bu tuhaf yıldızları Samanyolu ile başka bir galaksi arasındaki devasa çarpışmanın kanıtı olarak aldılar. Muhtemelen 8 ila 11 milyar yıl önce meydana gelen birleşme, genç Samanyolu'nu feci şekilde bozabilir, diğer galaksiyi parçalara ayırabilir ve yeni yıldız oluşumunda bir ateş fırtınasını ateşleyebilirdi.

Çarpışan galaksinin kalıntıları artık iki ekibin birleşmenin kalıntılarını bağımsız olarak keşfetmesinin bir sonucu olarak Gaia-Sosis-Enceladus olarak adlandırılıyor. Ekiplerden biri ona, Dünya'nın ve tüm yaşamın ilkel annesi olan Yunan tanrısı Gaia ve oğlu Enceladus'un adını verdi. Diğeri ise kalıntıların sosise benzediğini fark etti. (Bazı gökbilimciler ihtilaf gelen galaksinin olaya karışan tek galaksi olduğunu, bunun yerine daha uzun bir süre boyunca birçok küçük çarpışmanın şu anda gördüğümüz yapılara yol açmış olabileceğini öne sürdü.)

Birleşme her şeyi değiştirdi: Samanyolu'nun halesinin seyri, iç çıkıntı ve düzleştirilmiş disk.

Gökbilimciler artık Gaia-Sosis-Enceladus yığılmasının zamanlamasını ve bunun sonucunda yavru Samanyolu'nun nasıl büyüdüğünü anlamak için çeşitli araçlar kullanıyor.

Mart 2022 olarak, Maosheng Xiang ve Hans-Walter Rix Max Planck Astronomi Enstitüsü'nün araştırması, herhangi bir birleşmeden önce var olan proto-galaksi olan Samanyolu 1.0'ı tanımlayarak başladı. Bunu antik kullanarak yaptılar altdev yıldızlar Güneşten daha küçük olan ve hidrojen yakıtlarını tüketen ve artık şişmeye başlayan bunlar. Bir alt dev yıldızın parlaklığı, yaşına karşılık gelir ve ışığı, doğduğu materyalin parmak izi görevi görür. Xiang ve Rix, çeyrek milyon subdev yıldızın göç geçmişini anlamak için bu ipuçlarını kullandıklarında, kalın diskin galaksi oluşumu teorilerinde beklenenden daha erken oluştuğunu buldular - 13 milyar yıl önce, Büyük Patlama'dan hemen hemen sonra göz açıp kapayıncaya kadar. .

Popüler kozmolojik teoriler, bu kadar büyük ve iyi tanımlanmış yapıların Büyük Patlama'dan sonra oluşmasının daha uzun sürmesi gerektiğini öne sürüyor. Ve yine de onlar kırpmaya devam et James Webb Uzay Teleskobu'nun uzak galaksilere ilişkin gözlemlerinde şöyle denildi: Biberiye WyseJohns Hopkins Üniversitesi'nden astrofizikçi.

"JWST'nin gördükleriyle galaksimizin nasıl oluştuğunu düşündüğümüzü birbirine bağlayabilirsiniz. Bir galaksinin nasıl oluştuğuna dair tutarlı bir resme sahip olabilir miyiz? Galaksimiz tipik mi?” dedi.

Kalın disk ana birleşmeden önce var olmuş olabilir, ancak ince disk Gaia-Sausage-Enceladus'un gelişiyle aynı zamana denk geldi, Xiang ve Rix buldu. Farklı yıldız diskleri üreten bu iki yönlü birleşme süreci yaygın olabilir ve yıldız oluşumunun kıvılcımı için çok önemli olabilir. Bu çılgınlıktan bu yana doğum oranları düşüyor, ancak Samanyolu hala yılda yaklaşık 10 ila 20 yeni yıldız üretiyor.

Yuxi (Lucy) LuColumbia Üniversitesi'nden Amerikan Doğa Tarihi Müzesi'ne yeni taşınan bilim insanı, galaktik diskin tarihini ve zaman içinde nasıl değiştiğini anlamak istedi. Bunu yapmak için yıldızların yaşam süreleri boyunca meydana gelen kimyasal değişimlerin, onların doğum yerlerini belirlemeye nasıl yardımcı olabileceğini inceledi. Benzer kabarık, alt dev yıldızlara odaklandı ve yeni, yayınlanmamış çalışmasında, metal açısından zengin alt devlerin (helyumdan daha ağır elementlerin bolluğuna sahip olanların), Gaia-Sosis-Enceladus birleşmesi sırasında ciddi şekilde büyümeye başladığını buldu. 11 milyar ila 8 milyar yıl önce.

Gaia-Sosis-Enceladus'a dair kanıtlar birikmeye devam ediyor. Ancak gökbilimcilerin hâlâ anlamadığı şey, o zamandan bu yana her şeyin neden sakin olduğu. Lu, Samanyolu'nun kimyasal geçmişi ve yapısal geçmişinin alışılmadık göründüğünü söyledi.

Örneğin Andromeda'nın Samanyolu'ndan çok daha şiddetli bir geçmişi var. Wyse, diğer galaksilerin geçmişleri ve galaksilerin birbirine çarparak büyüdüğünü söyleyen hakim kozmolojik model göz önüne alındığında, galaksimizin bu kadar uzun süre yalnız kalmasının tuhaf olacağını söyledi. “Birleştirme tarihi alışılmadık bir şey, montaj tarihi de. Evrende gerçekten sıra dışı olup olmadığımız... Hala açık bir soru olduğunu söyleyebilirim" dedi.

Yeni Bir Adanın Doğuşu

Gökbilimciler galaksinin geçmişini bir araya getirirken, diğerleri galaksinin mahallelerinin birbirinden şehirler ve banliyöler kadar farklı olabileceğini araştırıyor; bu, gezegenlerin (ve belki de yaşamın) galakside nasıl dağıldığı sorusunu gündeme getiren bir olasılık.

Burada, Yerel Koldaki belirli bir yıldızın etrafında, güneşin etrafında sekiz gezegen oluştu - dördü kayalık ve dördü gaz. Ancak diğer kollar farklı olabilir. Bu ortamlar, farklı biyosferlere sahip kıtalarda özel bitki örtüsü ve faunanın gelişmesiyle aynı şekilde, farklı yıldız ve gezegen popülasyonları üretebilir.

“Belki de hayat ancak gerçekten sessiz bir galakside ortaya çıkabilir. Belki de hayat ancak gerçekten sessiz bir yıldızın etrafında doğabilir" dedi. Jessie ChristiansenKaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nde galaktik koşulları ve bunların gezegen oluşumu üzerindeki etkilerini inceleyen bir gökbilimci. “Bu istatistiksel örnekle bu çok zor; [Galaksimizle ilgili] herhangi bir şey önemli olabilir veya hiçbir şey önemli olamaz.”

Edwin Hubble'ın "VAR!" yazmasından bir yüzyıl sonra. Cam bir plaka üzerinde JWST'nin görüş alanında yer alan galaksiler kümesi, evren ve evrendeki yerimiz hakkında bildiklerimizi değiştiriyor. Daha geniş evreni anlamak için Samanyolu'nu astrofiziksel bir gözlemevi olarak kullanabileceğimiz gibi, evimizi ve nasıl var olduğumuzu anlamak için daha geniş evreni ve onun milyarlarca galaksisini de kullanabiliriz.

Gökbilimciler Hubble'ın taktik kitabından bir sayfa almaya ve kuzey gökyüzündeki soluk elips olan Andromeda'yı incelemeye devam ediyor. Gaia'nın eve yaklaştığı gibi, Kitt Peak Ulusal Gözlemevi'ndeki Karanlık Enerji Spektroskopik Aleti, Andromeda'daki yıldızları tek tek ölçecek ve onların hareketlerini, yaşlarını ve kimyasal bolluklarını inceleyecek. Wyse ayrıca Mauna Kea'daki Subaru Teleskobu'nu kullanarak yan taraftaki galaksideki yıldızları tek tek incelemeyi planlıyor.

Bunu yapmak, Andromeda'nın geçmişine yeni bir bakış açısı kazandıracak ve kendi galaksimiz için yeni bir karşılaştırma sağlayacaktır. Aynı zamanda çok uzak geleceğe dair hafif bir bakış sunacak. Galaksimiz eninde sonunda uzayda bize doğru çığlık atan iki küçük yakın galaksiyi, Büyük ve Küçük Macellan Bulutlarını yok edecek. Galaksimiz zaten onları sindirmeye başlıyor.

Conroy, "Eğer tüm bunları bir milyar yıl sonra gözlemliyor olsaydık, çok daha karmaşık görünürdü" dedi. "Her şeyin nispeten sakin olduğu bir dönemdeyiz."

Sonra Andromeda da gelip bize katılacak. Edwin Hubble'ın cam levhalarını kapsayan galaksi artık bir ada evreni olmayacak. Andromeda ve Samanyolu birbirine doğru spiral çizecek ve yıldız haleleri birlikte dönecek. Anlaşılması zor zaman çizelgeleri boyunca diskler de birleşerek soğuk gazı ısıtacak ve yoğunlaşmasına ve yeni yıldızları tutuşturmasına neden olacak. Bundan sonra inşa edilecek yapının kenarlarında yeni güneşler ve onlarla birlikte yeni gezegenler ortaya çıkacak. Ama şimdilik tanıyabileceğimiz tek galaksinin Yerel Kolunda her şey sessiz.