28.3: Usambazaji wa galaxies katika nafasi

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza kanuni ya cosmological na muhtasari ushahidi kwamba inatumika kwenye mizani kubwa ya ulimwengu unaojulikana
• Eleza yaliyomo katika Kundi la Mitaa la galaxi
• Tofautisha miongoni mwa makundi, makundi, na makundi makubwa ya galaxi
• Eleza miundo kubwa kuonekana katika ulimwengu, ikiwa ni pamoja na voids

Katika sehemu iliyotangulia, tulisisitiza jukumu la muunganiko katika kuunda mageuzi ya galaxi. Ili kugongana, galaxi lazima iwe karibu sana pamoja. Ili kukadiria jinsi mara nyingi migongano inatokea na jinsi yanavyoathiri mageuzi ya galaxi, wanaastronomia wanahitaji kujua jinsi galaxi zinavyosambazwa angani na juu ya muda wa cosmi Je! Wengi wao wametengwa na wao kwa wao, au wanakusanyika makundi? Ikiwa wanakusanyika, makundi ni makubwa gani na jinsi gani na lini waliunda? Na jinsi gani, kwa ujumla, ni galaxi na makundi yao hupangwa katika ulimwengu? Je, kuna wengi katika mwelekeo mmoja wa anga kama ilivyo katika nyingine yoyote, kwa mfano? Jinsi gani galaxi zimepangwa jinsi tunavyopata leo?

Edwin Hubble alipata majibu ya baadhi ya maswali haya miaka michache tu baada ya kwanza kuonyesha kwamba nebulae ya ond ilikuwa galaxi na si sehemu ya Milky Way yetu. Alipokuwa akichunguza galaxi kote angani, Hubble alifanya uvumbuzi wawili ambao uligeuka kuwa muhimu kwa masomo ya mageuzi ya ulimwengu.

Kanuni ya Kosmolojia

Hubble alifanya uchunguzi wake na kile kilichokuwa darubini kubwa zaidi duniani—watafakari 100-inch na 60-inch juu ya Mlima Wilson. Darubini hizi zina nyanja ndogo za mtazamo: zinaweza kuona sehemu ndogo tu ya mbingu kwa wakati mmoja. Kupiga picha anga nzima na darubini ya inchi 100, kwa mfano, ingekuwa imechukua muda mrefu kuliko maisha ya binadamu. Hivyo badala yake, Hubble sampuli angani katika mikoa mingi, kama vile Herschel alivyofanya na nyota yake kupima (tazama Usanifu wa Galaxy). Katika miaka ya 1930, Hubble alipiga picha maeneo ya sampuli 1283, na kila kuchapishwa, alihesabu kwa makini idadi ya picha za galaxy (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Ugunduzi wa kwanza wa Hubble uliofanywa kutokana na utafiti wake ulikuwa kwamba idadi ya galaksi inayoonekana katika kila eneo la anga ni sawa. (Kwa kweli, hii ni kweli tu ikiwa mwanga kutoka galaxi za mbali hauingizii na vumbi katika Galaxy yetu wenyewe, lakini Hubble alifanya marekebisho kwa ajili ya ngozi hii.) Pia aligundua kwamba idadi ya galaxi huongezeka kwa kukata tamaa, kama tunavyotarajia kama wiani wa galaxi ni sawa katika umbali wote kutoka kwetu.

Ili kuelewa kile tunachomaanisha, fikiria unachukua picha katika uwanja uliojaa wakati wa tamasha la kuuzwa. Watu wameketi karibu nawe wanaonekana kubwa, hivyo wachache tu wataingia kwenye picha. Lakini kama wewe kuzingatia watu kukaa katika viti njia upande wa pili wa uwanja, wao kuangalia ndogo kwamba wengi zaidi inafaa katika picha yako. Ikiwa sehemu zote za uwanja zina mipangilio ya kiti sawa, basi unapoangalia mbali na mbali zaidi, picha yako itapata zaidi na zaidi na watu. Kwa njia hiyo, Hubble alipoangalia galaxi zenye kukata tamaa na za kukata tamaa, aliona zaidi na zaidi kati yao.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Hubble katika Kazi. Edwin Hubble katika darubini 100-inch juu ya Mlima Wilson.

Matokeo ya Hubble ni muhimu sana, kwa maana zinaonyesha kwamba ulimwengu ni isotropic na homogeneous -inaonekana sawa katika pande zote, na kiasi kikubwa cha nafasi katika redshift yoyote au umbali ni kama kiasi nyingine yoyote katika redshift kwamba. Ikiwa ndivyo ilivyo, haijalishi sehemu gani ya ulimwengu tunayoona (kwa muda mrefu kama ni sehemu kubwa): sehemu yoyote itaonekana sawa na nyingine yoyote.

Matokeo ya Hubble-na mengi zaidi ambayo yamefuata katika karibu miaka 100 tangu wakati huo - haimaanishi tu kwamba ulimwengu ni sawa kila mahali (mbali na mabadiliko na wakati) lakini pia kwamba mbali na tofauti ndogo za mitaa, sehemu tunayoweza kuona karibu nasi ni mwakilishi wa yote. Wazo kwamba ulimwengu ni sawa kila mahali huitwa kanuni ya cosmological na ni dhana ya mwanzo kwa karibu nadharia zote zinazoelezea ulimwengu wote (tazama Big Bang).

Bila kanuni ya cosmological, hatuwezi kufanya maendeleo yoyote katika kusoma ulimwengu. Tuseme jirani yetu ya ndani walikuwa kawaida kwa namna fulani. Kisha hatukuweza kuelewa tena ulimwengu ulivyo kama tulipigwa marooned kwenye kisiwa cha joto cha kusini-bahari bila mawasiliano ya nje na tulikuwa tukijaribu kuelewa jiografia ya Dunia. Kutoka kwenye kisiwa chetu cha kisiwa kidogo, hatukuweza kujua kwamba baadhi ya maeneo ya sayari yanafunikwa na theluji na barafu, au kwamba mabara makubwa yanapo na aina kubwa zaidi ya ardhi kuliko ile iliyopatikana kwenye kisiwa chetu.

Hubble alihesabu tu idadi ya galaxi katika pande mbalimbali bila kujua jinsi ilivyo mbali zaidi. Kwa vyombo vya kisasa, wanaastronomia wamepima kasi na umbali wa mamia ya maelfu ya galaxi, na hivyo kujenga picha yenye maana ya muundo mkubwa wa ulimwengu. Katika sehemu hii iliyobaki, tunaelezea kile tunachokijua kuhusu usambazaji wa galaxi, kuanzia na zile zilizo karibu.

Kundi la Mitaa

Eneo la ulimwengu ambalo tuna maelezo ya kina zaidi ni, kama unavyotarajia, jirani yetu ya ndani. Inageuka kuwa Galaxy ya Milky Way ni mwanachama wa kikundi kidogo cha galaxi kinachoitwa, sio kufikiri sana, Kikundi cha Mitaa. Inaenea zaidi ya miaka ya mwanga milioni 3 na ina wanachama zaidi ya 54. Kuna galaxi tatu kubwa za ond (yetu wenyewe, galaxy ya Andromeda, na M33), ellipticals mbili za kati, na ellipticals nyingi za kibete na galaxies isiyo ya kawaida.

Wanachama wapya wa Kundi la Mitaa bado wanagunduliwa. Tulielezea katika Galaxy ya Milky Way galaxy ya kibete tu kuhusu miaka 80,000 ya mwanga kutoka Dunia na karibu miaka 50,000 ya mwanga kutoka katikati ya galaxy ambayo iligunduliwa mwaka 1994 katika nyota ya Sagittarius. (Dwarf hii ni kweli venturing karibu sana na kubwa zaidi Milky Way na hatimaye kuwa zinazotumiwa na hilo.)

Uvumbuzi wengi wa hivi karibuni umewezekana na kizazi kipya cha tafiti za kiotomatiki, nyeti, pana shamba, kama vile Sloan Digital Sky Survey, ambayo ramani nafasi za mamilioni ya nyota katika anga inayoonekana. Kwa kuchimba data na programu za kisasa za kompyuta, wanaastronomia wamegeuka galaksi nyingi ndogo, zenye kukata tamaa ambazo zote hazionekani kwa jicho hata katika picha hizo za kina za telescopic. Matokeo haya mapya yanaweza kusaidia kutatua tatizo la muda mrefu: nadharia zilizopo za namna ya galaxi zinavyotabiri kuwa kuna lazima iwe na galaxi za kibete zaidi kuzunguka galaxi kubwa kama Milky Way kuliko ilivyoonekana - na sasa tu tuna zana za kupata galaxi hizi zenye kukata tamaa na ndogo na kuanza kulinganisha idadi yao na utabiri wa kinadharia.

Unaweza kusoma zaidi kuhusu utafiti wa Sloan na matokeo yake makubwa. Na angalia uhuishaji huu mfupi wa ndege kupitia mpangilio wa galaxi kama ilivyofunuliwa na utafiti huo.

Galaksi kadhaa mpya za kibete zimepatikana pia karibu na galaksi ya Andromeda. Galaksi hizo za kibete ni vigumu kupatikana kwa sababu kwa kawaida zina nyota chache, na ni vigumu kuzitofautisha na nyota za mbele katika Milky Way yetu wenyewe.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) ni mchoro mbaya kuonyesha ambapo wanachama Brighter wa Kundi la Mitaa ziko. Wastani wa mwendo wa galaxi zote katika Kundi la Mitaa unaonyesha kuwa molekuli yake yote ni karibu\(4 × 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\), na angalau nusu ya masi hii iko katika mizunguko miwili mikubwa-galaxy ya Andromeda na Galaxy ya Milky Way. Na kuzingatia kwamba kiasi kikubwa cha wingi katika Kikundi cha Mitaa ni kwa namna ya suala la giza.

Kielelezo Group\(\PageIndex{2}\) Mitaa. Mfano huu unaonyesha baadhi ya wanachama wa Kundi la Mitaa la galaxi, na Milky Way yetu katikati. Mtazamo uliolipuka hapo juu unaonyesha eneo lililo karibu zaidi na Njia ya Milky na linafaa katika mtazamo mkubwa zaidi chini kama inavyoonyeshwa na mistari iliyopigwa. Galaksi tatu kubwa kati ya dazeni tatu au hivyo wanachama wa Kundi la Mitaa zote ni spirals; nyingine ni galaxi ndogo isiyo ya kawaida na ellipticals kibete. Idadi ya wanachama wapya wa kikundi hiki wamepatikana tangu ramani hii ilifanywa.

Vikundi vya jirani na Makundi

Makundi madogo ya galaxi kama yetu ni vigumu kutambua kwa umbali mkubwa. Hata hivyo, kuna makundi mengi zaidi yanayoitwa makundi ya galaxi ambayo ni rahisi kuona hata mamilioni mengi ya miaka ya nuru mbali. Makundi hayo yanaelezewa kuwa maskini au matajiri kulingana na jinsi galaksi nyingi zinazo nazo. Makundi matajiri yana maelfu au hata makumi ya maelfu ya galaxi, ingawa wengi wa galaxi ni dhaifu kabisa na vigumu kuchunguza.

Nguzo ya karibu ya galaxy yenye tajiri inaitwa Virgo Cluster, baada ya nyota ambayo inaonekana. Ni kuhusu 50 milioni mwanga miaka mbali na ina maelfu ya wanachama, ambayo wachache ni inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Giant elliptical (na kazi sana) Galaxy M87, ambayo alikuja kujua na upendo katika sura ya Active Galaxies, Quasars, na Supermassive Black Holes, ni mali ya Virgo Cluster.

Kielelezo Mkoa wa\(\PageIndex{3}\) Kati wa Cluster Virgo. Virgo ni nguzo iliyo karibu na tajiri na iko umbali wa miaka milioni 50 ya mwanga. Ina mamia ya galaxi angavu. Katika picha hii unaweza kuona tu sehemu ya kati ya nguzo, ikiwa ni pamoja na giant elliptical Galaxy M87, tu chini ya kituo cha. Spirals nyingine na ellipticals zinaonekana; galaxi mbili upande wa juu kulia zinajulikana kama “Macho.”

Mfano mzuri wa nguzo ambayo ni kubwa zaidi kuliko tata ya Virgo ni nguzo ya Coma, yenye kipenyo cha angalau miaka milioni 10 ya mwanga (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Baadhi ya miaka ya mwanga milioni 250 hadi 300 mbali, nguzo hii inazingatia ellipticals mbili kubwa ambazo luminosities zinafanana na Suns bilioni 400 kila mmoja. Maelfu ya galaxi zimeonekana katika Coma, lakini galaxi tunazoziona ni karibu sehemu tu ya kile kilichopo kweli. Galaksi za kibete zimezimia sana kuonekana katika umbali wa Coma, lakini tunatarajia kuwa ni sehemu ya nguzo hii kama ilivyo sehemu ya karibu zaidi. Kama ni hivyo, basi Coma uwezekano ina makumi ya maelfu ya galaxies. Masi ya jumla ya kundinyota hii ni\(4 × 10^{15}\)\(M_{\text{Sun}}\) takriban (masi ya kutosha kutengeneza nyota milioni 4 bilioni kama Jua).

Hebu pumzika hapa kwa muda wa mtazamo. Sasa tunazungumzia idadi ambayo hata wanaastronomia wakati mwingine huhisi kuzidiwa. Nguzo ya Coma inaweza kuwa na galaxi 10, 20, au 30,000, na kila galaxi ina mabilioni na mabilioni ya nyota. Kama ungekuwa unasafiri kwa kasi ya nuru, ingekuwa bado itachukua zaidi ya miaka milioni 10 (zaidi ya historia ya aina za binadamu) kuvuka kundi hili kubwa la galaxi. Na kama uliishi katika sayari nje kidogo ya galaxi hizi, wanachama wengine wengi wa nguzo wangekuwa karibu kutosha kuwa vituko vyema katika anga yako ya usiku.

Kielelezo Mkoa wa\(\PageIndex{4}\) Kati wa Coma Cluster.Hii pamoja inayoonekana mwanga (kutoka Sloan Digital Sky Survey) na infrared (kutoka Spitzer Space Telescope) picha imekuwa rangi coded ili kukata tamaa galaxies kibete kuonekana kama kijani. Kumbuka idadi ya smudges kidogo ya kijani kwenye picha. Kundi hilo ni takribani miaka milioni 320 ya mwanga mbali na sisi.

Kweli makundi matajiri kama vile Coma kawaida huwa na mkusanyiko mkubwa wa galaxi karibu na kituo hicho. Tunaweza kuona galaxi kubwa za duaradufu katika mikoa hii ya kati lakini ni chache, kama zipo, galaxi za ond. Spirals ambazo zipo kwa ujumla hutokea nje kidogo ya makundi.

Tunaweza kusema kwamba ellipticals ni “kijamii” sana: mara nyingi hupatikana katika vikundi na hufurahia sana “kunyongwa nje” na ellipticals nyingine katika hali zilizojaa. Ni sawa katika makundi hayo ambayo migongano ni uwezekano mkubwa na, kama tulivyojadiliwa hapo awali, tunadhani kwamba ellipticals kubwa zaidi hujengwa kwa njia ya kuunganishwa kwa galaxies ndogo.

Mizimu, kwa upande mwingine, ni “aibu” zaidi: wana uwezekano mkubwa wa kupatikana katika makundi maskini au kwenye kando ya makundi matajiri ambapo migongano haipatikani kuvuruga silaha za ond au kuondosha gesi inayohitajika ili kuendelea kuunda nyota.

LENSING YA MVUTO

Kama tulivyoona katika Black Holes na Curved Spacetime, spacetime ni nguvu zaidi curved katika mikoa ambapo uwanja mvuto ni nguvu. Mwanga unaopita karibu sana na mkusanyiko wa suala inaonekana kufuata njia iliyopigwa. Katika kesi ya mwanga wa nyota kupita karibu na Jua, tunapima nafasi ya nyota ya mbali kuwa tofauti kidogo na nafasi yake ya kweli.

Sasa hebu tuangalie kesi ya mwanga kutoka galaxi ya mbali au quasar inayopita karibu na mkusanyiko wa jambo kama vile kikundi cha galaxi katika safari yake kwenda darubini zetu. Kwa mujibu wa relativity ya jumla, njia ya mwanga inaweza kuwa bent kwa njia mbalimbali; kama matokeo tunaweza kuchunguza picha zilizopotoka na hata nyingi (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{5}\) Gravitational Lensing. Mchoro huu unaonyesha jinsi lens ya mvuto inaweza kufanya picha mbili. Mionzi miwili ya mwanga kutoka quasar ya mbali huonyeshwa ikinama huku ikipitia galaxi ya mbele; kisha hufika pamoja duniani. Ingawa mihimili miwili ya nuru ina habari sawa, sasa inaonekana kuja kutoka pointi mbili tofauti mbinguni. Mchoro huu umewekwa zaidi na sio kiwango, lakini hutoa wazo mbaya la uzushi wa lensing.

Gravitational lenses inaweza kuzalisha si tu picha mbili, kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{5}\), lakini pia picha nyingi, arcs, au pete. Lens ya kwanza ya mvuto iligunduliwa, mwaka 1979, ilionyesha picha mbili za kitu kimoja cha mbali. Hatimaye, wanaastronomia walitumia darubini ya Hubble Space ili kukamata picha za ajabu za athari za lenses za mvuto. Mfano mmoja umeonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{6}\).

Kielelezo\(\PageIndex{6}\) Multiple Picha ya Supernova Gravitationally Lensed. Mwanga kutoka supanova kwa umbali wa miaka ya nuru bilioni 9 ulipita karibu na galaksi katika nguzo kwa umbali wa miaka ya nuru bilioni 5. Katika mtazamo ulioenea wa galaxi, mishale inaashiria picha nyingi za nyota inayopuka. Picha zinapangwa kuzunguka galaxi katika muundo wa umbo la msalaba unaoitwa Msalaba wa Einstein. Mito ya rangi ya bluu inayozunguka galaxi ni picha zilizonyoshwa za galaxi ya jeshi la supanova, ambalo limepotoshwa na kupigwa kwa anga.

Uhusiano wa jumla unatabiri kwamba mwanga kutoka kwa kitu cha mbali unaweza pia kupanuliwa na athari ya lensing, na hivyo kufanya vitu visivyoonekana visivyoonekana vyema vya kutosha kuchunguza. Hii ni muhimu hasa kwa kuchunguza hatua za mwanzo za malezi ya galaxy, wakati ulimwengu ulikuwa mdogo. Kielelezo\(\PageIndex{7}\) kinaonyesha mfano wa galaxi iliyo mbali sana ambayo tunaweza kujifunza kwa undani tu kwa sababu njia yake nyepesi inapita katika mkusanyiko mkubwa wa galaxi kubwa na sasa tunaona picha nyepesi zaidi.

Kielelezo\(\PageIndex{7}\) Potofu Picha ya Galaxy ya mbali Imetayarishwa na Gravitational Lensing katika Gravitational Cluster.The muhtasari mviringo kuonyesha eneo la tofauti, picha potofu ya galaxy background kutokana na lensing na wingi katika nguzo. Picha katika sanduku upande wa kushoto wa chini ni ujenzi wa kile galaksi iliyopangwa itaonekana kama kutokuwepo kwa nguzo, kulingana na mfano wa usambazaji wa wingi wa nguzo, ambayo inaweza kutolewa kutokana na kusoma picha za galaxi zilizopotoka. Ujenzi unaonyesha maelezo zaidi kuhusu galaxi kuliko ilivyoweza kuonekana bila kukosekana kwa lensing. Kama picha inavyoonyesha, galaxi hii ina maeneo ya umbo la nyota inang'aa kama balbu za mti wa Krismasi. Hizi ni nyepesi zaidi kuliko maeneo yoyote ya kutengeneza nyota katika Galaxy yetu ya Milky Way.

Tunapaswa kutambua kwamba molekuli inayoonekana katika galaxy sio lens pekee inayowezekana ya mvuto. Suala la giza linaweza pia kujidhihirisha kwa kuzalisha athari hii. Wanaastronomia wanatumia picha zilizochongwa kutoka mbinguni kote ili kujifunza zaidi kuhusu mahali ambapo jambo la giza lipo na ni kiasi gani kilichopo.

Vipande vingi na voids

Baada ya wanaastronomia kugundua makundi ya galaxi, kwa kawaida walishangaa kama bado kulikuwa na miundo mikubwa katika ulimwengu. Je, makundi ya galaxi hukusanyika pamoja? Ili kujibu swali hili, tunapaswa kuwa na uwezo wa ramani sehemu kubwa za ulimwengu kwa vipimo vitatu. Hatupaswi kujua tu nafasi ya kila galaxy juu ya anga (hiyo ni vipimo viwili) lakini pia umbali wake kutoka kwetu (mwelekeo wa tatu).

Hii inamaanisha ni lazima tuweze kupima mabadiliko ya kila galaxi katika ramani yetu. Kuchukua wigo wa kila galaxi ya mtu binafsi kufanya hivyo ni kazi ya muda mwingi zaidi kuliko kuhesabu galaxi zinazoonekana katika pande tofauti mbinguni, kama Hubble alivyofanya. Leo hii wanaastronomia wamegundua njia za kupata spectra ya galaxi nyingi katika uwanja huo wa mtazamo (wakati mwingine mamia au hata maelfu kwa wakati mmoja) ili kupunguza muda unaotakiwa kumaliza ramani zao tatu-dimensional. Darubini kubwa pia zina uwezo wa kupima mabadiliko nyekundu-na kwa hiyo umbali wa galaksi za mbali zaidi na (tena) kufanya hivyo haraka zaidi kuliko ilivyowezekana hapo awali.

Changamoto nyingine wanaastronomia wanakabiliwa katika kuamua jinsi ya kwenda kujenga ramani ya ulimwengu ni sawa na ile iliyokabiliwa na timu ya kwanza ya wapelelezi katika eneo kubwa, lisilojulikana duniani. Kwa kuwa kuna bendi moja tu ya wapelelezi na kiasi kikubwa cha ardhi, wanapaswa kufanya uchaguzi kuhusu wapi kwenda kwanza. Mkakati mmoja huenda mgomo nje katika mstari wa moja kwa moja ili kupata hisia ya ardhi ya eneo. Wanaweza, kwa mfano, kuvuka baadhi ya prairies zaidi tupu na kisha kugonga msitu mnene. Wanapofanya njia yao kupitia msitu, wanajifunza jinsi nene ilivyo katika mwelekeo wao wanasafiri, lakini si upana wake upande wa kushoto au kulia. Kisha mto unavuka njia yao; wanapopita, wanaweza kupima upana wake lakini hawajifunze chochote kuhusu urefu wake. Hata hivyo, wanapoendelea kwenye mstari wao wa moja kwa moja, wanaanza kupata maana ya nini mazingira ni kama na wanaweza kufanya angalau sehemu ya ramani. Wapelelezi wengine, wakipiga nje katika pande nyingine, siku moja watasaidia kujaza sehemu zilizobaki za ramani hiyo.

Wanaastronomia kwa kawaida walipaswa kufanya aina hiyo ya uchaguzi. Hatuwezi kuchunguza ulimwengu katika kila mwelekeo kwa “kina” au unyeti usio na kipimo: kuna galaxi nyingi mno na darubini chache sana za kufanya kazi. Lakini tunaweza kuchukua mwelekeo mmoja au kipande kidogo cha anga na kuanza kuchora ramani ya galaxi. Margaret Geller, marehemu John Huchra, na wanafunzi wao katika Kituo cha Harvard-Smithsonian cha Astrophysics walianzisha mbinu hii, na makundi mengine kadhaa yamepanua kazi yao ili kufikia kiasi kikubwa cha nafasi.

MARGARET GELLER: MPIMA WA COSMIC

Alizaliwa mwaka wa 1947, Margaret Geller ni binti wa mwanakemia aliyehamasisha maslahi yake katika sayansi na kumsaidia kutazama muundo wa tatu-dimensional wa molekuli akiwa mtoto. (Ilikuwa ni ujuzi ambao baadaye utakuja kwa manufaa sana kwa kutazama muundo wa tatu-dimensional wa ulimwengu.) Anakumbuka kuwa kuchoka katika shule ya msingi, lakini alihimizwa kusoma mwenyewe na wazazi wake. Makumbusho yake pia yanajumuisha ujumbe wa hila kutoka kwa walimu kwamba hisabati (maslahi yake yenye nguvu mapema) haikuwa shamba kwa wasichana, lakini hakujiruhusu kujizuia.

Geller alipata BA katika fizikia kutoka Chuo Kikuu cha California huko Berkeley na akawa mwanamke wa pili kupata PhD katika fizikia kutoka Princeton. Huko, wakati akifanya kazi na James Peebles, mmoja wa cosmologists inayoongoza duniani, alivutiwa na matatizo yanayohusiana na muundo mkubwa wa ulimwengu. Mwaka 1980, alikubali nafasi ya utafiti katika Kituo cha Harvard-Smithsonian cha Astrofizikia, mojawapo ya taasisi za taifa za nguvu zaidi za utafiti wa astronomia. Aliona kwamba ili kufanya maendeleo katika kuelewa jinsi galaxi na makundi yaliyoandaliwa, mfululizo mkubwa zaidi wa tafiti ulihitajika. Ingawa haiwezi kuzaa matunda kwa miaka mingi, Geller na washirika wake walianza kazi ndefu, ngumu ya ramani ya galaxies (Kielelezo\(\PageIndex{8}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{8}\) Margaret Geller. Ramani ya kazi ya Geller na kutafiti galaxi imetusaidia kuelewa vizuri muundo wa ulimwengu.

Timu yake ilikuwa na bahati ya kupewa upatikanaji wa darubini ambayo inaweza kujitolea kwa mradi wao, mtazamaji wa inchi 60 kwenye Mlima Hopkins, karibu na Tucson, Arizona, ambapo wao na wasaidizi wao walichukua spectra kuamua umbali wa galaxi. Ili kupata kipande cha ulimwengu, walielekeza darubini yao katika nafasi iliyotangulia mbinguni na kisha kuruhusu mzunguko wa Dunia kuleta galaxi mpya katika uwanja wao wa mtazamo. Kwa njia hii, walipima nafasi na mabadiliko ya redshifts ya galaxi zaidi ya 18,000 na kufanya ramani mbalimbali za kuvutia ili kuonyesha data zao. Uchunguzi wao sasa unajumuisha “vipande” katika Hemispheres zote za Kaskazini na Kusini.

Kadiri habari za kazi yake muhimu zilienea zaidi ya jamii ya wanaastronomia, Geller alipokea Fellowship ya MacArthur Foundation mwaka 1990. Ushirika huu, unaojulikana kama “tuzo za genius,” zimeundwa kutambua kazi ya kweli ya ubunifu katika maeneo mbalimbali. Geller anaendelea kuwa na nia kubwa katika taswira na ana (pamoja na mtayarishaji wa filamu Boyd Estus) alifanya video kadhaa za kushinda tuzo kuelezea kazi yake kwa wasio wanasayansi (moja ni yenye jina la So Many Galaxies. Kwa hiyo Muda mdogo). Ameonekana kwenye programu mbalimbali za habari za kitaifa na documentary, ikiwa ni pamoja na MacNeil/Lehrer NewsHour, The Astronomers, na The Infinite Voyage. Nguvu na wazi, ametoa mazungumzo juu ya kazi yake kwa watazamaji wengi nchini kote, na anafanya kazi kwa bidii kutafuta njia za kueleza umuhimu wa tafiti zake za uanzilishi kwa umma.

“Ni kusisimua kugundua kitu ambacho hakuna mtu aliyeonekana kabla. [Kuwa] mmoja wa watu watatu wa kwanza milele kuona kwamba kipande cha ulimwengu [ilikuwa] aina ya kuwa kama Columbus.. Hakuna mtu anayetarajia mfano huo wa kushangaza!” —Margaret Geller

Pata maelezo zaidi kuhusu kazi ya Geller na Huchra (ikiwa ni pamoja na mahojiano na Geller) katika video hii ya dakika 4 ya NOVA. Unaweza pia kujifunza zaidi kuhusu hitimisho lao na utafiti wa ziada uliosababisha.

Mradi mkubwa wa ramani ya ulimwengu hadi sasa ni Utafiti wa Sky Digital wa Sloan (angalia sanduku la Making Connections kipengele Astronomia na Teknolojia: Utafiti wa Sky Digital Sky Sloan mwishoni mwa sehemu hii). njama ya usambazaji wa galaxies mapped na utafiti Sloan ni inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{8}\). Kwa mshangao wa wanaastronomia, ramani kama ile iliyo kwenye takwimu ilionyesha kuwa makundi ya galaxi hayapangwa kwa usawa katika ulimwengu wote, lakini hupatikana katika makundi makubwa ya filamentary ambayo yanaonekana kama arcs kubwa za inkblots zilizotawanyika katika ukurasa mmoja. Vipande vingi vinafanana na karatasi iliyopasuka kwa kawaida au sura ya pancake - zinaweza kupanua kwa mamia ya mamilioni ya miaka ya mwanga katika vipimo viwili, lakini ni miaka ya nuru 10 hadi 20 tu ya nene katika mwelekeo wa tatu. Utafiti wa kina wa baadhi ya miundo hii unaonyesha kwamba raia wao ni mara chache\(10^{16}\)\(M_{\text{Sun}}\), ambayo ni mara 10,000 zaidi kuliko Galaxy ya Milky Way.

Angalia taswira hii ya uhuishaji wa muundo mkubwa kutoka kwa utafiti wa Sloan.

Kielelezo\(\PageIndex{8}\): Ramani ya Utafiti wa Sky Digital ya Sloan ya Muundo Mkubwa wa Ulimwengu.Picha hii inaonyesha vipande kutoka ramani ya SDSS. Hatua katikati inafanana na Milky Way na inaweza kusema “Wewe ni Hapa!” Pointi kwenye ramani kusonga nje kutoka katikati ni mbali zaidi. Umbali wa galaxi unaonyeshwa na mabadiliko yao ya redshifts (kufuata sheria ya Hubble), iliyoonyeshwa kwenye mstari wa usawa unaoenda moja kwa moja kutoka katikati. Redshift z\( = \Delta \lambda/ \lambda\), ambapo\(\Delta \lambda\) ni tofauti kati ya wavelength aliona na wavelength\(\lambda\) iliyotolewa na chanzo nonmoving katika maabara. Angle ya saa mbinguni inavyoonekana karibu na mzunguko wa grafu ya mviringo. Rangi za galaxi zinaonyesha umri wa nyota zao, huku rangi nyekundu inayoonyesha galaxi zilizofanywa kwa nyota za zamani. Mzunguko wa nje ni umbali wa miaka ya mwanga bilioni mbili kutoka kwetu. Kumbuka kuwa galaksi nyekundu (nyota za zamani) zina makundi makubwa zaidi kuliko galaxi za buluu (nyota changa). Maeneo yasiyopigwa ramani ni mahali ambapo mtazamo wetu wa ulimwengu umezuiwa na vumbi katika Galaxy yetu wenyewe.

Kutenganisha filaments na karatasi katika supercluster ni voids, ambayo inaonekana kama Bubbles kubwa tupu walled na arcs kubwa ya galaxies. Wana kipenyo cha kawaida cha miaka ya nuru milioni 150, huku makundi ya galaxi yalijilimbikizia kwenye kuta zao. Mpangilio mzima wa filaments na voids hutukumbusha sifongo, ndani ya asali, au hunk ya jibini la Uswisi yenye mashimo makubwa sana. Kama wewe kuchukua kipande nzuri au sehemu nzima kupitia yoyote ya haya, utaona kitu ambacho inaonekana takribani kama Kielelezo\(\PageIndex{8}\).

Kabla ya voids hizi kugunduliwa, wanaastronomia wengi wangeweza kutabiri kwamba mikoa kati ya makundi makubwa ya galaxi yalijazwa na makundi mengi madogo ya galaxi, au hata na galaxi za pekee. Utafutaji wa makini ndani ya voids hizi umegundua galaxi chache za aina yoyote. Inaonekana, asilimia 90 ya galaxi huchukua chini ya asilimia 10 ya kiasi cha nafasi.

Mfano\(\PageIndex{1}\): usambazaji wa galaxy

Kuamua usambazaji wa galaxi katika nafasi tatu-dimensional, wanaastronomia wanapaswa kupima nafasi zao na mabadiliko yao ya redshifts. Kiwango kikubwa cha nafasi iliyochunguzwa, uwezekano mkubwa wa kipimo ni sampuli ya haki ya ulimwengu kwa ujumla. Hata hivyo, kazi inayohusika huongezeka kwa kasi sana unapoongeza kiasi kilichofunikwa na utafiti.

Hebu tufanye hesabu ya haraka ili tuone kwa nini hii ndivyo ilivyo.

Tuseme kwamba umekamilisha utafiti wa galaxi zote ndani ya miaka ya mwanga milioni 30 na sasa unataka kuchunguza hadi miaka ya mwanga milioni 60. Ni kiasi gani cha nafasi kinachofunikwa na utafiti wako wa pili? Kiasi gani kikubwa ni kiasi gani kuliko kiasi cha utafiti wako wa kwanza? Kumbuka kwamba kiasi cha nyanja, V, kinatolewa na formula

\[V = \dfrac{4}{3}\pi R^3 \nonumber\]

\(R\)wapi radius ya nyanja.

Suluhisho

Kwa kuwa kiasi cha nyanja kinategemea\(R^3\) na utafiti wa pili unafikia mara mbili mbali mbali, itafunika kiasi ambacho ni\(2^3 = 8\) mara kubwa zaidi. kiasi jumla kufunikwa na utafiti wa pili itakuwa

\[(4/3) \pi \times (60 \text{ million light-years})^3 = 9 \times 10^{23} \text{ light-years}^3. \nonumber\]

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Tuseme sasa unataka kupanua utafiti wako kwa miaka ya mwanga milioni 90. Ni kiasi gani cha nafasi kinachofunikwa, na ni kiasi gani kikubwa kuliko kiasi cha utafiti wa pili?

Jibu

Kiasi cha jumla kilichofunikwa ni\[(4/3) \pi \times (90 \text{ million light-years})^3 = 3.05 \times 10^{24} \text{ light-years}^3. \nonumber\] Utafiti unafikia mara 3 mbali mbali, hivyo itafunika kiasi ambacho ni\(3^3 = 27\) mara kubwa zaidi.

Hata kubwa, darubini nyeti zaidi na tafiti kwa sasa zinatengenezwa na kujengwa ili kutazama mbali zaidi na mbali zaidi katika nafasi na nyuma kwa wakati. Telescope mpya ya Millimeter Kubwa ya mita 50 huko Mexico na Array ya Atacama Kubwa ya Millimeter nchini Chile inaweza kuchunguza mionzi ya mbali ya infrared na milimita kutoka kwa galaxi kubwa za kupasuka kwa nyota katika mabadiliko ya redshifts na hivyo umbali zaidi ya 90% ya njia ya kurudi Big Bang. Hizi haziwezi kuzingatiwa kwa nuru inayoonekana kwa sababu maeneo yao ya kuunda nyota yamefungwa katika mawingu ya vumbi nene. Na mwaka wa 2021, Telescope ya James Webb Space ya kipenyo cha mita 6.5 imepangwa kuzindua. Itakuwa darubini mpya mpya inayoonekana na karibu-infrared katika nafasi tangu Hubble ilizinduliwa zaidi ya miaka 25 mapema. Moja ya malengo makuu ya darubini hii ni kuchunguza moja kwa moja mwanga wa galaxi za kwanza na hata nyota za kwanza kuangaza, chini ya miaka nusu bilioni baada ya Big Bang.

Katika hatua hii, kama umekuwa kufikiri juu ya majadiliano yetu ya ulimwengu kupanua katika Galaxies, unaweza kuwa wanashangaa nini hasa katika Kielelezo\(\PageIndex{8}\) ni kupanua. Tunajua kwamba galaxi na makundi ya galaxi hushikiliwa pamoja na mvuto wao na hazipanuzi kama ulimwengu unavyofanya. Hata hivyo, voids hukua kubwa na filaments huenda mbali mbali kama nafasi inavyoweka (angalia Big Bang).

UNAJIMU NA TEKNOLOJIA: SLOAN DIGITAL ANGA UTAFITI

Katika siku ya Edwin Hubble, spectra ya galaxi ilipaswa kuchukuliwa moja kwa wakati. Nuru ya kukata tamaa ya galaxi ya mbali iliyokusanywa na darubini kubwa iliwekwa kupitia fungu, halafu spectrometer (pia inaitwa spectrograph) ilitumika kutenganisha rangi na kurekodi wigo. Huu ulikuwa mchakato wa utumishi, haukufaa kwa mahitaji ya kufanya ramani kubwa ambazo zinahitaji mabadiliko ya redya ya maelfu ya galaxi.

Lakini teknolojia mpya imewaokoa wanaastronomia wanaotafuta ramani tatu-dimensional za ulimwengu wa galaxi. Utafiti mmoja wa kabambe wa anga ulitengenezwa kwa kutumia darubini maalumu, kamera, na spectrograph kwenye milima ya Sacramento ya New Mexico. Inaitwa Sloan Digital Sky Survey (SDSS), baada ya msingi ambayo ilitoa sehemu kubwa ya fedha, mpango huo ulitumia darubini ya mita 2.5 (kuhusu aperture sawa na Hubble) kama kamera pana angani angani. Wakati wa mpango wa ramani kudumu zaidi ya miaka kumi, wanaastronomia walitumia vifaa 30 vya malipo (CCDs) -sensitive umeme mwanga detectors sawa na wale kutumika katika kamera nyingi digital na simu za mkononi - kuchukua picha ya vitu zaidi ya milioni 500 na spectra ya zaidi ya milioni 3, kufunika zaidi ya moja- robo ya nyanja ya mbinguni. Kama miradi mingi mikubwa katika sayansi ya kisasa, Utafiti wa Sloan ulihusisha wanasayansi na wahandisi kutoka taasisi nyingi tofauti, kuanzia vyuo vikuu hadi maabara ya kitaifa.

Kila usiku ulio wazi kwa zaidi ya muongo mmoja, wanaastronomia walitumia chombo hiki kutengeneza picha kurekodi msimamo na mwangaza wa vitu vya mbinguni katika mistari mirefu ya angani. Taarifa katika kila strip ilikuwa kumbukumbu ya tarakimu na kuhifadhiwa kwa vizazi vijavyo. Wakati kuona (kukumbuka neno hili kutoka kwa Astronomical Instruments) ilikuwa ya kutosha tu, darubini ilitumika kwa kuchukua spectra ya galaksi na quasars—lakini ilifanya hivyo kwa hadi vitu 640 kwa wakati mmoja.

Muhimu wa mafanikio ya mradi huo ulikuwa mfululizo wa nyuzi za macho, zilizopo nyembamba za kioo rahisi ambazo zinaweza kusambaza mwanga kutoka chanzo hadi CCD ambayo inarekodi wigo. Baada ya kuchukua picha za sehemu ya anga na kutambua ni vitu gani ni galaxi, wanasayansi wa mradi walichimba sahani ya alumini yenye mashimo ya kuunganisha nyuzi mahali pa kila galaxi. Darubini ilielekezwa kwenye sehemu ya haki ya anga, na nyuzi ziliongoza mwanga wa kila galaxy kwa spectrometer kwa kurekodi mtu binafsi (Kielelezo\(\PageIndex{9}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{9}\) Sloan Digital Sky Survey. (a) Darubini ya Sloan Digital Sky Survey inaonekana hapa mbele ya milima ya Sacramento huko New Mexico. (b) Mwanaastronomia Richard Kron anaingiza baadhi ya nyuzi za macho ndani ya sahani iliyotangulia kuchimbwa ili kuwezesha vyombo hivyo kutengeneza spectra nyingi za galaxi kwa wakati mmoja.

Karibu saa moja ilikuwa ya kutosha kwa kila seti ya spectra, na sahani za alumini zilizopangwa kabla zinaweza kubadilishwa haraka. Hivyo, iliwezekana kuchukua spectra nyingi kama 5000 usiku mmoja (ikiwa hali ya hewa ilikuwa nzuri ya kutosha).

Utafiti wa galaxi ulisababisha ramani kamili zaidi ya angani kuliko ilivyokuwa ikiwezekana hapo awali, kuruhusu wanaastronomia kupima mawazo yao kuhusu muundo mkubwa na mageuzi ya galaxi dhidi ya safu ya kushangaza ya data halisi.

Taarifa iliyoandikwa na Sloan Survey staggers mawazo. Takwimu zilikuja kwenye megabytes 8 kwa pili (hii ina maana namba milioni 8 au wahusika kila pili). Katika kipindi cha mradi huo, wanasayansi waliandika zaidi ya terabytes 15, au bytes bilioni 15,000, ambazo wanakadiria ni sawa na taarifa zilizomo katika Maktaba ya Congress. Kuandaa na kuchagua kiasi hiki cha data na kuchimba matokeo muhimu ya kisayansi ambayo ina ni changamoto kubwa, hata katika umri wetu wa habari. Kama nyanja nyingine nyingi, astronomia sasa imeingia zama za “Big Data,” zinazohitaji kompyuta zenye nguvu na algorithms za juu za kompyuta ili kuchuja kupitia tabibu hizo zote za data kwa ufanisi.

Suluhisho moja la mafanikio sana kwa changamoto ya kushughulika na data kubwa kama hizo ni kugeuka kwa “sayansi ya raia,” au vyanzo vya umati, njia ambayo SDSS imesaidia waanzilishi. Jicho la mwanadamu ni nzuri sana katika kutambua tofauti za hila kati ya maumbo, kama vile kati ya galaxi mbili tofauti za ond, wakati kompyuta mara nyingi zinashindwa katika kazi hizo. Wakati wanaastronomia wa mradi wa Sloan walipotaka kuorodhesha maumbo ya baadhi ya mamilioni ya galaxi katika picha zao mpya, walizindua mradi wa “Galaxy Zoo”: kujitolea duniani kote walipewa kozi fupi ya mafunzo mtandaoni, kisha walipewa picha kadhaa za galaxy ili kuainisha kwa jicho. Mradi huo ulifanikiwa sana, na kusababisha uainishaji wa galaxy zaidi ya milioni 40 na kujitolea zaidi ya 100,000 na ugunduzi wa aina mpya za galaxi.

Jifunze zaidi kuhusu jinsi unavyoweza kuwa sehemu ya mradi wa kuainisha galaxi katika juhudi hii ya sayansi ya raia. Mpango huu ni sehemu ya mfululizo mzima wa miradi ya “sayansi ya raia” inayowezesha watu katika nyanja zote za maisha kuwa sehemu ya utafiti ambao wataalamu wa astronomia (na wasomi katika idadi kubwa ya nyanja) wanahitaji msaada nayo.

Dhana muhimu na Muhtasari

Hesabu ya galaxies kwa njia mbalimbali zinaonyesha kwamba ulimwengu kwa kiwango kikubwa ni sawa na isotropic (sawa kila mahali na sawa katika pande zote, mbali na mabadiliko ya mabadiliko na wakati). Ufanana wa ulimwengu kila mahali hujulikana kama kanuni ya cosmological. Galaxi zinajumuishwa pamoja katika makundi. Milky Way Galaxy ni mwanachama wa Kundi la Mitaa, ambalo lina angalau galaxi za wanachama 54. Makundi matajiri (kama vile Virgo na Coma) yana maelfu au makumi ya maelfu ya galaxi. Makundi ya Galaxy mara nyingi hukundi pamoja na makundi mengine ili kuunda miundo mikubwa inayoitwa superclusters, ambayo inaweza kupanua umbali wa miaka mia kadhaa ya mwanga. Makundi na superclusters hupatikana katika miundo ya filamentary ambayo ni kubwa lakini kujaza sehemu ndogo tu ya nafasi. Sehemu nyingi huwa na voids kubwa kati ya makundi makubwa, huku karibu galaxi zote zimefungwa chini ya 10% ya jumla ya kiasi.

faharasa

kanuni ya cosmological

dhana kwamba, kwa kiwango kikubwa, ulimwengu wakati wowote ni sawa kila mahali-isotropic na homogeneous

linganifu

kuwa thabiti na hata usambazaji wa jambo hilo ni sawa kila mahali

isotropiki

sawa katika pande zote

Kundi la Mitaa

kikundi kidogo cha galaxi ambazo Galaxy yetu ni mali yake

supercluster

eneo kubwa la nafasi (zaidi ya miaka ya mwanga milioni 100 kote) ambapo makundi na makundi ya galaxi hujilimbikizia zaidi; kikundi cha makundi ya galaxi

utupu

eneo kati ya makundi na makundi makubwa ya galaxi ambayo inaonekana kuwa tupu ya galaxi