28.5: Uundaji na Mageuzi ya Galaxi na Muundo katika Ulimwengu

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Muhtasari nadharia kuu kujaribu kueleza jinsi galaxies mtu binafsi sumu
• Eleza jinsi “mbegu” ndogo za jambo la giza katika ulimwengu wa mwanzo zilivyokua kwa mvuto wa mvuto zaidi ya mabilioni ya miaka katika miundo mikubwa inayoonekana ulimwenguni: makundi ya galaxy na makundi makubwa, filaments, na voids

Kama ilivyo kwa matawi mengi ya sayansi ya asili, wanaastronomia na cosmologists daima wanataka kujua jibu la swali, “Ilipataje njia hiyo?” Ni nini kilichofanya galaxi na makundi ya galaxi, makundi makubwa, voids, na filaments kuangalia jinsi wanavyofanya? Kuwepo kwa filaments kubwa kama hizo za galaxi na voids ni puzzle ya kuvutia kwa sababu tuna ushahidi (kujadiliwa katika Big Bang) kwamba ulimwengu ulikuwa laini sana hata miaka mia chache baada ya kutengeneza. Changamoto kwa wanadharia ni kuelewa jinsi ulimwengu usio na sifa ulivyobadilika kuwa ngumu na lumpy tunayoona leo. Ukiwa na uchunguzi wetu na ufahamu wa sasa wa mageuzi ya galaxy juu ya wakati wa cosmic, jambo la giza, na muundo mkubwa, sasa tuko tayari kujaribu kujibu swali hilo kwa baadhi ya mizani kubwa iwezekanavyo ulimwenguni. Kama tutakavyoona, jibu fupi la jinsi ulimwengu ulivyopata njia hii ni “jambo la giza + mvuto + wakati.”

Jinsi galaxies Fomu na Kukua

Tayari tumeona kwamba galaxi zilikuwa nyingi zaidi, lakini ni ndogo zaidi, zenye rangi ya blue, na zenye clumpier, katika siku za nyuma kuliko zilivyo leo, na kwamba muunganiko wa galaxi una jukumu muhimu katika mageuzi yao. Wakati huohuo, tumeona quasars na galaxi zilizotoa mwanga wao wakati ulimwengu ulikuwa chini ya umri wa miaka bilioni - kwa hiyo tunajua kwamba condensations kubwa ya suala ilikuwa imeanza kuunda angalau mapema. Pia tuliona katika galaxies Active, Quasars, na Supermassive Black Holes kwamba quasars nyingi hupatikana katika vituo vya galaxies elliptical. Hii ina maana kwamba baadhi ya viwango vikubwa vya kwanza vya jambo lazima vimebadilika kuwa galaxi za duaradufu tunazoziona katika ulimwengu wa leo. Inaonekana uwezekano kwamba mashimo nyeusi supermassive katika vituo vya galaxies na usambazaji spherical ya jambo la kawaida karibu nao sumu kwa wakati mmoja na kwa njia ya michakato ya kimwili kuhusiana.

Uthibitisho mkubwa wa picha hiyo ulifika tu katika muongo uliopita, wakati wanaastronomia waligundua uhusiano mzuri wa kimapenzi: kama tulivyoona katika galaxies Active, Quasars, na Supermassive Black Holes, galaxi kubwa zaidi, shimo lake la kati ni kubwa zaidi. Kwa namna fulani, shimo nyeusi na galaxy “wanajua” kutosha kuhusu kila mmoja ili kufanana na viwango vya ukuaji wao.

Kumekuwa na aina mbili kuu za mifano ya malezi ya galaxy ili kueleza uchunguzi huo wote. Wa kwanza anasema kuwa galaxi kubwa za elliptical zilizotengenezwa kwa kuanguka kwa haraka kwa gesi na jambo la giza, wakati ambapo karibu gesi yote iligeuka haraka kuwa nyota. Baadaye galaxi zilibadilika polepole tu kadiri nyota zilivyobadilika. Hivi ndivyo wanaastronomia wanavyoita hali ya “juu-chini”.

Mfano wa pili unaonyesha kwamba ellipticals kubwa ya leo iliundwa kwa njia ya kuunganishwa kwa galaxi ndogo ambazo tayari zimebadilisha angalau baadhi ya gesi zao kuwa nyota-hali ya “chini-up”. Kwa maneno mengine, wanaastronomia wamejadiliana kama duaradufu kubwa ziliunda nyota zake nyingi katika galaxi kubwa tunazoziona leo au katika galaxi ndogo tofauti ambazo hatimaye zimeunganishwa.

Kwa kuwa tunaona quasars zenye mwanga kutoka wakati ulimwengu ulikuwa chini ya umri wa miaka bilioni, inawezekana kwamba angalau baadhi ya ellipticals kubwa ilianza mageuzi yao mapema sana kupitia kuanguka kwa wingu moja. Hata hivyo, ushahidi bora pia unaonekana kuonyesha kwamba galaxi kubwa za duaradufu za kukomaa kama zile tunazoziona karibu zilikuwa nadra kabla ulimwengu haujawahi kuwa na umri wa miaka bilioni 6 na kwamba zina kawaida zaidi leo kuliko zilivyokuwa wakati ulimwengu ulikuwa mdogo. Uchunguzi pia unaonyesha kwamba sehemu kubwa ya gesi katika galaxi ya duaradufu ilibadilishwa kuwa nyota kwa wakati ulimwengu ulipokuwa na umri wa miaka bilioni 3 hivi, hivyo inaonekana ya kwamba galaxi za duaradufu hazijatengeneza nyota nyingi mpya tangu hapo. Mara nyingi husemekana kuwa “nyekundu na kufa” —yaani, huwa na nyota za zamani, baridi, nyekundu, na kuna uundaji mdogo wa nyota mpya au haupo.

Uchunguzi huu (unapozingatiwa pamoja) unaonyesha kwamba galaxi kubwa za elliptical tunazoziona karibu zimeundwa kutokana na mchanganyiko wa mifumo ya juu-chini na ya chini, na galaxi kubwa zaidi zinazounda katika makundi yenye densest ambapo taratibu zote mbili zilitokea mapema sana na kwa haraka katika historia ya ulimwengu.

Hali na galaxi za ond inaonekana tofauti sana. Vipande vya galaxi hizi viliundwa mapema, kama galaxi za elliptical (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Hata hivyo, disks zilizoundwa baadaye (kumbuka kwamba nyota katika diski ya Milky Way ni mdogo kuliko nyota katika bulge na halo) na bado zina gesi na vumbi. Hata hivyo, kiwango cha uundaji wa nyota katika spirals leo ni karibu mara kumi chini kuliko ilivyokuwa miaka bilioni 8 iliyopita. Idadi ya nyota zinazoundwa hupungua kadiri gesi inatumiwa juu. Hivyo spirals inaonekana kuunda zaidi “chini juu” lakini kwa muda mrefu kuliko ellipticals na kwa njia ngumu zaidi, na angalau awamu mbili tofauti.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Ukuaji wa Spiral Bulges. Vipande vya nyuklia vya baadhi ya galaxi za ond zilizoundwa kupitia kuanguka kwa wingu moja la protogalactic (mstari wa juu). Wengine walikua baada ya muda kupitia kuunganishwa na galaxi nyingine ndogo (mstari wa chini).

Hubble awali alidhani kwamba galaxi za duaradufu zilikuwa vijana na hatimaye zingegeuka kuwa spirals, wazo ambalo sasa tunajua si kweli. Kwa kweli, kama tulivyoona hapo juu, kuna uwezekano zaidi kwa njia nyingine kote: spirals mbili ambazo zinaanguka pamoja chini ya mvuto wao wa pamoja zinaweza kugeuka kuwa elliptical.

Licha ya maendeleo haya katika ufahamu wetu wa jinsi galaxi zinavyounda na kubadilika, maswali mengi yanabaki. Kwa mfano, inawezekana, kutokana na ushahidi wa sasa, kwamba galaxi za ond zinaweza kupoteza silaha zao za ond na diski katika tukio la kuungana, na kuzifanya zionekane zaidi kama galaxi ya duaradufu au isiyo ya kawaida, na kisha kurejesha diski na silaha tena baadaye ikiwa gesi ya kutosha bado inapatikana. Hadithi ya jinsi galaxi zinavyofikiri maumbo yao ya mwisho bado inaandikwa wakati tunajifunza zaidi kuhusu galaxi na mazingira yao.

Kuunda makundi ya Galaxy, Superclusters, Voids, na Filaments

Kama galaxies mtu binafsi wanaonekana kukua zaidi kwa kukusanyika vipande vidogo pamoja gravitationally juu ya muda cosmic, nini kuhusu makundi ya galaxies na miundo kubwa kama vile wale kuonekana katika Kielelezo\(28.3.8\) katika Sehemu ya 28.3? Tunawezaje kuelezea ramani kubwa zinazoonyesha galaxi zilizosambazwa kwenye kuta za miundo mikubwa ya sifongo au Bubble inayoonyesha mamia ya mamilioni ya miaka ya mwanga?

Kama tulivyoona, uchunguzi wamegundua kuongezeka ushahidi kwa viwango, filaments, makundi, na superclussles ya galaxies wakati ulimwengu ilikuwa chini ya miaka bilioni 3 (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Hii inamaanisha kuwa viwango vikubwa vya galaksi vilikuwa vimekusanyika wakati ulimwengu ulikuwa chini ya robo moja ya zamani kama ilivyo sasa.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Kuunganisha Galaxies katika nguzo ya mbali. Picha hii ya Hubble inaonyesha kiini cha mojawapo ya makundi ya galaxi yaliyogunduliwa, SPARCs 1049+56; tunaiona kama ilivyokuwa karibu miaka bilioni 10 iliyopita. Mshangao uliotolewa na picha hiyo ulikuwa ni “kuvunjika kwa treni” ya maumbo ya galaxi ya machafuko na mikia ya rangi ya bluu: inaonekana kuna galaxi kadhaa ndani ya msingi ambazo zinaunganisha pamoja, sababu inayowezekana ya kupasuka kwa nyota kubwa na uchafuzi mkali wa infrared kutoka kwenye nguzo.

Karibu mifano yote ya sasa Maria ya jinsi kwa kiasi kikubwa muundo sumu katika ulimwengu kuwaambia hadithi sawa na kwamba kwa galaxies mtu binafsi: vidogo giza jambo “mbegu” katika supu moto cosmic baada ya Big Bang ilikua kwa mvuto katika miundo kubwa na kubwa kama wakati cosmic ticked juu (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Mifano ya mwisho tunayoijenga itahitaji kueleza ukubwa, sura, umri, namba, na usambazaji wa anga wa galaxi, makundi, na filaments-sio leo tu, bali pia ni mbali nyuma kwa wakati. Kwa hiyo, wanaastronomia wanafanya kazi kwa bidii kupima na kisha kutengeneza sifa hizo za muundo mkubwa kwa usahihi iwezekanavyo. Hadi sasa, mchanganyiko wa atomi za kawaida za 5%, suala la giza la baridi la 27%, na 68% nishati ya giza inaonekana kuwa njia bora ya kueleza ushahidi wote unaopatikana kwa sasa (tazama Big Bang).

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Ukuaji wa Mikubwa Muundo kama Mahesabu na kompyuta. Masanduku haya yanaonyesha jinsi filaments na makundi makubwa ya galaxi yanavyokua baada ya muda, kuanzia usambazaji mwembamba wa jambo la giza na gesi, huku galaxi chache zilizotengenezwa katika miaka ya kwanza ya bilioni 2 baada ya Big Bang, hadi kwenye masharti ya galaxi yenye voids kubwa leo. Linganisha picha ya mwisho katika mlolongo huu na usambazaji halisi wa galaxies karibu inavyoonekana katika Kielelezo\(28.3.8\) katika Sehemu ya 28.3.

Sanduku la kushoto linaitwa “Big Bang,” sanduku katikati haijulikani na sanduku la kulia linaitwa “Sasa”. Mshale mweupe unaonyesha kutoka kushoto kwenda kulia anayewakilisha mwelekeo wa wakati.

Wanasayansi hata kuwa na mfano wa kueleza jinsi karibu sare, moto “supu” ya chembe na nishati katika mwanzo wa wakati alipewa Swiss-cheese-kama muundo kwamba sisi sasa kuona juu ya mizani kubwa. Kama tutakavyoona katika Big Bang, wakati ulimwengu ulikuwa na umri wa miaka mia moja tu, kila kitu kilikuwa kwenye joto la digrii elfu chache. Wanadharia wanaonyesha kwamba wakati huo wa mwanzo, gesi yote ya moto ilikuwa ikitetemeka, kama vile mawimbi ya sauti yanayotetemesha hewa ya klabu ya usiku na bendi kubwa sana. Vibrating hii inaweza kuwa kujilimbikizia jambo katika peaks high-wiani na kujenga nafasi tupu kati yao. Ulimwengu ulipopoza, viwango vya suala vilikuwa “vimehifadhiwa,” na hatimaye galaxi ziliundwa kutokana na jambo hilo katika mikoa hii yenye wiani mkubwa.

picha kubwa

Ili kumaliza sura hii, hebu tuweke mawazo haya yote pamoja ili tueleze hadithi thabiti ya jinsi ulimwengu ulivyokuja kuangalia jinsi inavyofanya. Awali, kama tulivyosema, usambazaji wa suala (wote luminous na giza) ulikuwa karibu, lakini sio kabisa, laini na sare. Kwamba “sio kabisa” ni ufunguo wa kila kitu. Hapa na kulikuwa na uvimbe ambapo wiani wa suala (wote luminous na giza) ilikuwa milele hivyo kidogo kuliko wastani.

Awali, kila pua ya mtu binafsi ilipanuka kwa sababu ulimwengu wote ulikuwa unapanua. Hata hivyo, kama ulimwengu uliendelea kupanua, mikoa ya wiani wa juu ilipata molekuli bado zaidi kwa sababu walijitahidi nguvu kubwa zaidi kuliko wastani wa mvuto juu ya vifaa vya jirani. Ikiwa kuvuta ndani ya mvuto ilikuwa juu ya kutosha, mikoa ya mtu binafsi ya denser hatimaye iliacha kupanua. Kisha wakaanza kuanguka ndani ya matumbo yasiyo ya kawaida (ndio neno la kiufundi linalotumia wanaastronomia!). Katika mikoa mingi kuanguka kulikuwa haraka zaidi katika mwelekeo mmoja, hivyo viwango vya suala havikuwa spherical lakini ilikuja kufanana na clumps kubwa, pancakes, na filaments-kama kamba - kila kubwa zaidi kuliko galaxi ya mtu binafsi.

Vipande hivi vidogo vilikuwepo katika ulimwengu wa mapema, unaoelekezwa kwa njia tofauti na kuanguka kwa viwango tofauti. Clumps ilitoa mfumo wa miundo mikubwa ya filamentary na ya Bubble ambayo tunaona imehifadhiwa katika ulimwengu leo.

Ulimwengu kisha uliendelea “kujenga yenyewe” kutoka chini hadi juu. Ndani ya clumps, miundo ndogo iliundwa kwanza, kisha ikaunganishwa ili kujenga kubwa, kama vipande vya Lego vinavyowekwa pamoja moja kwa moja ili kuunda jiji kubwa la Lego. Viwango vidogo vya kwanza vya suala vilivyoanguka vilikuwa ukubwa wa galaxi ndogo za kibete au makundi ya globulari-ambayo husaidia kueleza kwa nini makundi ya globula ni mambo ya zamani zaidi katika Milky Way na galaxi nyingine nyingi. Vipande hivi vilikusanyika hatua kwa hatua ili kujenga galaxi, makundi ya galaxi, na hatimaye, makundi makubwa ya galaxi.

Kwa mujibu wa picha hii, galaxi ndogo na kundinyota kubwa za nyota zilianzishwa kwanza katika mikoa yenye wiani mkubwa kuliko yote - filaments na nodes ambapo pancakes huingiliana - wakati ulimwengu ulikuwa karibu asilimia mbili ya umri wake wa sasa. Nyota zingine zinaweza kuwa zimeundwa hata kabla ya kundinyota za nyota za kwanza na galaxi zilipokuwepo. Baadhi ya migongano ya galaxi-galaxi yalisababisha kupasuka kwa nyota, na baadhi ya hayo yalisababisha kuundwa kwa mashimo meusi. Katika mazingira hayo matajiri, yaliyojaa msongamano, mashimo meusi yalipata chakula cha mara kwa mara na kukua kwa wingi. Uendelezaji wa mashimo makubwa meusi yalisababisha quasars na viini vingine vya galactic ambavyo nguvu za nishati na suala zilifunga malezi ya nyota katika galaxi zao za jeshi. Ulimwengu wa mapema lazima uwe mahali pa kusisimua!

Makundi ya galaxies kisha sumu kama galaxies mtu binafsi wamekusanyika, inayotolewa pamoja na mvuto wao kuheshimiana mvuto (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Kwanza, galaxi chache zilikusanyika ili kuunda vikundi, kama vile Kikundi chetu cha Mitaa. Kisha makundi yalianza kuchanganya kuunda makundi na, hatimaye, superclusters. Mfano huu unatabiri kwamba makundi na makundi makubwa yanapaswa kuwa bado katika mchakato wa kukusanya pamoja, na uchunguzi kwa kweli unaonyesha kwamba makundi bado yanakusanya makundi yao ya galaxi na kukusanya gesi zaidi wakati inapita katika filaments. Katika baadhi ya matukio tunaona makundi yote ya galaxi yanayounganishwa pamoja.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) malezi ya nguzo ya Galaxies. Mchoro huu wa kimapenzi unaonyesha jinsi galaxi zinaweza kuwa zimeundwa kama mawingu madogo yameundwa kwanza na kisha kukusanyika ili kuunda galaxi na kisha makundi ya galaxi.

Galaksi kubwa zaidi elliptical sumu kwa njia ya mgongano na muungano wa vipande vingi vidogo. Baadhi ya galaksi za ond zinaweza kuwa zimeundwa katika mikoa ya pekee kutokana na wingu moja la gesi lililoanguka ili kutengeneza diski iliyopigwa, lakini wengine walipata nyota za ziada, gesi, na jambo la giza kupitia migongano, na nyota zilizopatikana kwa njia ya migongano hii sasa zinajaza halos na bulges zao. Kama tulivyoona, Milky Way yetu bado inakamata galaxi ndogo na kuziongeza kwenye halo yake, na pengine pia huvuta gesi safi kutoka galaxi hizi kwenye diski yake.

Muhtasari

Awali, jambo luminous na giza katika ulimwengu ilikuwa kusambazwa karibu-lakini si kabisa—enhetligt. Changamoto kwa nadharia za malezi ya galaxi ni kuonyesha jinsi usambazaji huu “usio kabisa” wa suala ulivyoendeleza miundo-galaxi na makundi ya galaxi-ambayo tunayaona leo. Inawezekana kwamba usambazaji wa filamentary wa galaxi na voids ulijengwa karibu na mwanzo, kabla ya nyota na galaxi kuanza kuunda. Makumbusho ya kwanza ya jambo yalikuwa kuhusu masi ya kundinyota kubwa au galaksi ndogo. Miundo hii ndogo kisha iliunganishwa kwa muda wa cosmic ili kuunda galaxi kubwa, makundi ya galaxi, na makundi makubwa ya galaxi. Vikundi vingi leo bado vinakusanya galaxi zaidi, gesi, na jambo la giza. Na galaxi za ond kama Milky Way bado zinapata vifaa kwa kukamata galaxi ndogo karibu nazo.