Kehidupan galaksi dan sejarah studinya

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Sejarah studi planet dan bintang diukur dalam ribuan tahun, Matahari, komet, asteroid, dan meteorit - dalam berabad-abad. Tetapi galaksi, yang tersebar di seluruh Semesta, gugus bintang, gas kosmik, dan partikel debu, baru menjadi objek penelitian ilmiah pada tahun 1920-an.

Galaksi telah diamati sejak dahulu kala. Seseorang dengan penglihatan yang tajam dapat membedakan bintik-bintik cahaya di langit malam, mirip dengan tetesan susu. Pada abad ke-10, astronom Persia Abd-al-Raman al-Sufi menyebutkan dalam Kitab Bintang Tetapnya dua tempat serupa, yang sekarang dikenal sebagai Awan Magellan Besar dan galaksi M31, alias Andromeda.

Dengan munculnya teleskop, para astronom telah mengamati lebih banyak objek ini, yang disebut nebula. Jika astronom Inggris Edmund Halley mendaftarkan hanya enam nebula pada tahun 1716, maka katalog yang diterbitkan pada tahun 1784 oleh astronom angkatan laut Prancis Charles Messier sudah berisi 110 - dan di antaranya empat lusin galaksi nyata (termasuk M31).

Pada tahun 1802, William Herschel menerbitkan daftar 2.500 nebula, dan putranya John menerbitkan katalog lebih dari 5.000 nebula pada tahun 1864.

Tetangga terdekat kita, galaksi Andromeda (M31), adalah salah satu objek langit favorit untuk pengamatan astronomi dan fotografi amatir.

Sifat benda-benda ini telah lama luput dari pemahaman. Pada pertengahan abad ke-18, beberapa orang yang cerdas melihat di dalamnya sistem bintang yang mirip dengan Bima Sakti, tetapi teleskop pada waktu itu tidak memberikan kesempatan untuk menguji hipotesis ini.

Satu abad kemudian, muncul pendapat bahwa setiap nebula adalah awan gas yang diterangi dari dalam oleh bintang muda. Belakangan, para astronom yakin bahwa beberapa nebula, termasuk Andromeda, mengandung banyak bintang, tetapi untuk waktu yang lama tidak jelas apakah mereka berada di Galaksi kita atau di luarnya.

Baru pada tahun 1923-1924 Edwin Hubble menentukan bahwa jarak dari Bumi ke Andromeda setidaknya tiga kali diameter Bima Sakti (bahkan, sekitar 20 kali) dan bahwa M33, nebula lain dari katalog Messier, tidak kurang jauh dari kita. jarak. Hasil ini menandai awal dari disiplin ilmu baru - astronomi galaksi.

Pada tahun 1926, astronom Amerika terkenal Edwin Powell Hubble mengusulkan (dan pada tahun 1936 memodernisasi) klasifikasi galaksi berdasarkan morfologinya. Karena bentuknya yang khas, klasifikasi ini juga disebut "Hubble Tuning Fork".

Di "batang" garpu tala ada galaksi elips, di cabang garpu - galaksi lentikular tanpa lengan dan galaksi spiral tanpa jembatan batang dan dengan batang. Galaksi yang tidak dapat diklasifikasikan sebagai salah satu kelas yang terdaftar disebut tidak beraturan, atau tidak beraturan.

Kurcaci dan raksasa

Alam semesta dipenuhi dengan galaksi dengan ukuran dan massa yang berbeda. Jumlah mereka dikenal sangat kira-kira. Pada tahun 2004, teleskop yang mengorbit Hubble menemukan sekitar 10.000 galaksi dalam tiga setengah bulan, memindai di konstelasi selatan Fornax sebuah wilayah langit yang seratus kali lebih kecil dari luas piringan bulan.

Jika kita berasumsi bahwa galaksi tersebar di bola langit dengan kepadatan yang sama, ternyata ada 200 miliar di ruang yang diamati. Namun, perkiraan ini sangat diremehkan, karena teleskop tidak dapat melihat banyak galaksi yang sangat redup..

Bentuk dan isi

Galaksi juga berbeda dalam morfologi (yaitu, dalam bentuk). Secara umum, mereka dibagi menjadi tiga kelas utama - berbentuk cakram, elips dan tidak beraturan (tidak beraturan). Ini adalah klasifikasi umum, ada yang lebih rinci.

Galaksi sama sekali tidak terdistribusi secara acak di luar angkasa. Galaksi besar sering dikelilingi oleh galaksi satelit kecil. Baik Bima Sakti kita maupun Andromeda yang bertetangga memiliki setidaknya 14 satelit, dan kemungkinan besar masih banyak lagi. Galaksi suka bersatu berpasangan, kembar tiga dan kelompok yang lebih besar dari lusinan pasangan yang terikat secara gravitasi.

Asosiasi yang lebih besar, gugus galaksi, berisi ratusan dan ribuan galaksi (gugus pertama ditemukan oleh Messier). Kadang-kadang, galaksi raksasa yang sangat terang diamati di pusat gugus, yang diyakini muncul selama penggabungan galaksi-galaksi yang lebih kecil.

Dan akhirnya, ada juga supercluster, yang mencakup cluster dan grup galaksi, dan galaksi individu. Biasanya ini adalah struktur memanjang hingga ratusan megaparsec panjangnya. Mereka dipisahkan oleh ruang kosong yang hampir sepenuhnya bebas galaksi dengan ukuran yang sama.

Supercluster tidak lagi diatur ke dalam struktur apa pun dari tatanan yang lebih tinggi dan tersebar di seluruh Kosmos secara acak. Untuk alasan ini, pada skala beberapa ratus megaparsec, Alam Semesta kita homogen dan isotropik.

Galaksi berbentuk cakram adalah panekuk bintang yang berputar di sekitar sumbu yang melewati pusat geometrisnya. Biasanya di kedua sisi zona tengah pancake ada tonjolan oval (dari tonjolan bahasa Inggris). Tonjolan juga berputar, tetapi dengan kecepatan sudut yang lebih rendah dari piringan. Di bidang piringan, cabang spiral sering diamati, berlimpah dalam cahaya terang yang relatif muda. Namun, ada cakram galaksi tanpa struktur spiral, di mana jumlah bintang seperti itu jauh lebih sedikit.

Zona pusat galaksi berbentuk cakram dapat dipotong oleh batang bintang - batang. Ruang di dalam cakram diisi dengan media gas dan debu - bahan sumber untuk bintang baru dan sistem planet. Galaksi memiliki dua piringan: bintang dan gas.

Mereka dikelilingi oleh halo galaksi - awan bulat dari gas panas yang dijernihkan dan materi gelap, yang memberikan kontribusi utama pada massa total galaksi. Halo juga berisi individu bintang tua dan gugus bintang globular (globular clusters) yang berusia hingga 13 miliar tahun. Di pusat hampir semua galaksi berbentuk cakram, dengan atau tanpa tonjolan, ada lubang hitam supermasif. Galaksi terbesar dari jenis ini masing-masing berisi 500 miliar bintang.

Bima Sakti

Matahari berputar di sekitar pusat galaksi spiral yang cukup biasa, yang mencakup 200-400 miliar bintang. Diameternya kira-kira 28 kiloparsec (lebih dari 90 tahun cahaya). Jari-jari orbit intragalaksi matahari adalah 8,5 kiloparsec (sehingga bintang kita dipindahkan ke tepi luar cakram galaksi), waktu revolusi lengkap di sekitar pusat Galaksi adalah sekitar 250 juta tahun.

Tonjolan Bima Sakti berbentuk elips dan memiliki batang yang baru ditemukan. Di tengah tonjolan adalah inti padat yang diisi dengan bintang-bintang dari berbagai usia - dari beberapa juta tahun hingga satu miliar dan lebih tua. Di dalam inti, di balik awan berdebu yang lebat, terletak lubang hitam yang agak sederhana menurut standar galaksi - hanya 3,7 juta massa matahari.

Galaxy kita memiliki piringan bintang ganda. Cakram bagian dalam, yang memiliki tidak lebih dari 500 parsec vertikal, menyumbang 95% dari bintang-bintang di zona piringan, termasuk semua bintang muda yang terang. Ia dikelilingi oleh piringan luar setebal 1.500 parsec, tempat tinggal bintang-bintang yang lebih tua. Piringan gas (lebih tepatnya, debu gas) Bima Sakti setidaknya setebal 3,5 kiloparsec. Empat lengan spiral piringan adalah daerah dengan kepadatan yang meningkat dari medium debu-gas dan mengandung sebagian besar bintang paling masif.

Diameter lingkaran Bima Sakti setidaknya dua kali diameter piringan. Sekitar 150 gugus bola telah ditemukan di sana, dan kemungkinan besar, sekitar lima puluh lagi belum ditemukan. Cluster tertua berusia lebih dari 13 miliar tahun. Halo diisi dengan materi gelap dengan struktur kental.

Sampai baru-baru ini, diyakini bahwa lingkaran cahaya itu hampir bulat, tetapi menurut data terbaru, itu dapat diratakan secara signifikan. Massa total galaksi bisa mencapai 3 triliun massa matahari, dengan materi gelap mencapai 90-95%. Massa bintang di Bima Sakti diperkirakan 90-100 miliar kali massa Matahari.

Galaksi elips, seperti namanya, adalah ellipsoidal. Itu tidak berputar secara keseluruhan dan karena itu tidak memiliki simetri aksial. Bintang-bintangnya, yang sebagian besar memiliki massa yang relatif rendah dan usia yang cukup tua, berputar di sekitar pusat galaksi di bidang yang berbeda dan kadang-kadang tidak secara individual, tetapi dalam rantai yang sangat memanjang.

Tokoh-tokoh baru di galaksi elips jarang menyala karena kekurangan bahan baku - hidrogen molekuler.

Seperti manusia, galaksi dikelompokkan bersama. Grup Lokal kami mencakup dua galaksi terbesar di sekitar sekitar 3 megaparsec - Bima Sakti dan Andromeda (M31), galaksi Triangulum, serta satelitnya - Awan Magellan Besar dan Kecil, galaksi kerdil di Canis Major, Pegasus, Carina, Sextant, Phoenix, dan banyak lainnya - total sekitar lima puluh. Grup lokal, pada gilirannya, adalah anggota supercluster Virgo lokal.

Baik galaksi terbesar maupun terkecil memiliki tipe elips. Bagian total perwakilannya dalam populasi galaksi Semesta hanya sekitar 20%. Galaksi-galaksi ini (dengan kemungkinan pengecualian yang terkecil dan paling redup) juga menyembunyikan lubang hitam supermasif di zona pusatnya. Galaksi elips juga memiliki lingkaran cahaya, tetapi tidak sejelas galaksi berbentuk cakram.

Semua galaksi lain dianggap tidak beraturan. Mereka mengandung banyak debu dan gas dan secara aktif memproduksi bintang muda. Ada beberapa galaksi seperti itu pada jarak moderat dari Bima Sakti, hanya 3%.

Namun, di antara objek dengan pergeseran merah besar, yang cahayanya dipancarkan tidak lebih dari 3 miliar tahun setelah Big Bang, bagiannya meningkat tajam. Rupanya, semua sistem bintang generasi pertama berukuran kecil dan memiliki garis luar yang tidak beraturan, dan galaksi-galaksi besar berbentuk cakram dan elips muncul jauh kemudian.

Kelahiran galaksi

Galaksi lahir segera setelah bintang. Diyakini bahwa penerang pertama muncul tidak lebih dari 150 juta tahun setelah Big Bang. Pada Januari 2011, sebuah tim astronom yang memproses informasi dari Teleskop Luar Angkasa Hubble melaporkan kemungkinan pengamatan sebuah galaksi yang cahayanya pergi ke luar angkasa 480 juta tahun setelah Big Bang.

Pada bulan April, tim peneliti lain menemukan sebuah galaksi yang, kemungkinan besar, sudah sepenuhnya terbentuk ketika alam semesta muda berusia sekitar 200 juta tahun.

Kondisi untuk kelahiran bintang dan galaksi muncul jauh sebelum dimulai. Ketika alam semesta melewati tanda 400.000 tahun, plasma di luar angkasa digantikan oleh campuran helium netral dan hidrogen. Gas ini masih terlalu panas untuk bergabung menjadi awan molekuler yang memunculkan bintang.

Namun, itu berdekatan dengan partikel materi gelap, awalnya didistribusikan di ruang tidak cukup merata - di mana ia sedikit lebih padat, di mana ia lebih jarang. Mereka tidak berinteraksi dengan gas barionik dan oleh karena itu, di bawah aksi saling tarik-menarik, dengan bebas runtuh ke zona dengan kepadatan yang meningkat.

Menurut perhitungan model, dalam seratus juta tahun setelah Big Bang, awan materi gelap seukuran tata surya saat ini terbentuk di ruang angkasa. Mereka bergabung menjadi struktur yang lebih besar, meskipun ada perluasan ruang. Ini adalah bagaimana kluster awan materi gelap muncul, dan kemudian kluster dari kluster ini. Mereka menyedot gas luar angkasa, membuatnya menebal dan runtuh.

Dengan cara ini, bintang supermasif pertama muncul, yang dengan cepat meledak menjadi supernova dan meninggalkan lubang hitam. Ledakan ini memperkaya ruang dengan unsur-unsur yang lebih berat daripada helium, yang membantu mendinginkan awan gas yang runtuh dan oleh karena itu memungkinkan munculnya bintang generasi kedua yang kurang masif.

Bintang-bintang seperti itu mungkin sudah ada selama miliaran tahun dan karena itu mampu membentuk (sekali lagi dengan bantuan materi gelap) sistem yang terikat secara gravitasi. Ini adalah bagaimana galaksi berumur panjang muncul, termasuk kita.

“Banyak detail galaktogenesis masih tersembunyi di balik kabut,” kata John Kormendy. - Secara khusus, ini berlaku untuk peran lubang hitam. Massa mereka berkisar dari puluhan ribu massa matahari hingga rekor absolut saat ini sebesar 6,6 miliar massa matahari, milik lubang hitam dari inti galaksi elips M87, yang terletak 53,5 juta tahun cahaya dari Matahari.

Lubang-lubang di pusat galaksi elips biasanya dikelilingi oleh tonjolan yang terdiri dari bintang-bintang tua. Galaksi spiral mungkin tidak memiliki tonjolan sama sekali atau memiliki kesamaan datar, tonjolan semu. Massa lubang hitam biasanya tiga kali lipat lebih kecil dari massa tonjolan - secara alami, jika ada. Pola ini dikonfirmasi oleh pengamatan yang menutupi lubang dengan massa dari satu juta hingga satu miliar massa matahari.

Menurut Profesor Kormendy, lubang hitam galaksi memperoleh massa dalam dua cara. Lubang, yang dikelilingi oleh tonjolan penuh, tumbuh karena penyerapan gas yang datang ke tonjolan dari zona luar galaksi. Selama penggabungan galaksi, intensitas masuknya gas ini meningkat tajam, yang memulai ledakan quasar.

Akibatnya, tonjolan dan lubang berkembang secara paralel, yang menjelaskan korelasi antara massa mereka (namun, mekanisme lain yang belum diketahui dapat bekerja juga).

Para peneliti dari University of Pittsburgh, UC Irvine dan Atlantic University of Florida telah memodelkan tabrakan Bima Sakti dan pendahulu Sagitarius Dwarf Elliptical Galaxy (SagDEG) di Sagitarius.

Mereka menganalisis dua opsi untuk tabrakan - dengan mudah (3x10¹⁰massa matahari) dan berat (10¹¹ massa matahari) SagDEG. Gambar tersebut menunjukkan hasil dari 2,7 miliar tahun evolusi Bima Sakti tanpa interaksi dengan galaksi kerdil dan dengan interaksi dengan varian SagDEG yang ringan dan berat.

Galaksi bebas botak dan galaksi dengan tonjolan semu adalah materi yang berbeda. Massa lubang mereka biasanya tidak melebihi 104-106 massa matahari. Menurut Profesor Kormendy, mereka diberi makan dengan gas karena proses acak yang terjadi di dekat lubang, dan tidak meluas ke seluruh galaksi. Lubang seperti itu tumbuh terlepas dari evolusi galaksi atau tonjolan semu, yang menjelaskan kurangnya korelasi antara massa mereka.

Galaksi yang sedang berkembang

Galaksi dapat meningkat baik dalam ukuran dan massa. "Di masa lalu yang jauh, galaksi melakukan ini jauh lebih efisien daripada di era kosmologis baru-baru ini," jelas Garth Illingworth, profesor astronomi dan astrofisika di University of California, Santa Cruz. - Laju kelahiran bintang baru diperkirakan dalam produksi tahunan satu satuan massa materi bintang (dalam kapasitas ini, massa Matahari) per satuan volume ruang angkasa (biasanya megaparsec kubik).

Pada saat pembentukan galaksi pertama, angka ini sangat kecil, dan kemudian mulai berkembang pesat, yang berlanjut hingga alam semesta berusia 2 miliar tahun. Selama 3 miliar tahun lagi, itu relatif konstan, kemudian mulai menurun hampir sebanding dengan waktu, dan penurunan ini berlanjut hingga hari ini. Jadi 7-8 miliar tahun yang lalu, tingkat rata-rata pembentukan bintang 10-20 kali lebih tinggi dari yang sekarang. Sebagian besar galaksi yang dapat diamati sudah sepenuhnya terbentuk di zaman yang jauh itu."

Gambar tersebut menunjukkan hasil evolusi pada waktu yang berbeda - konfigurasi awal (a), setelah 0, 9 (b), 1, 8 © dan 2, 65 miliar tahun (d). Menurut perhitungan model, batang dan lengan spiral Bima Sakti dapat terbentuk sebagai akibat dari tabrakan dengan SagDEG, yang awalnya menarik 50-100 miliar massa matahari.

Dua kali ia melewati cakram Galaksi kita dan kehilangan sebagian materinya (baik biasa maupun gelap), menyebabkan gangguan pada strukturnya. Massa SagDEG saat ini tidak melebihi puluhan juta massa matahari, dan tabrakan berikutnya, yang diperkirakan tidak lebih dari 100 juta tahun kemudian, kemungkinan besar akan menjadi yang terakhir.

Secara umum, tren ini dapat dimengerti. Galaksi tumbuh dalam dua cara utama. Pertama, mereka mendapatkan bahan ledakan bintang baru dengan menarik partikel gas dan debu dari ruang sekitarnya. Selama beberapa miliar tahun setelah Big Bang, mekanisme ini bekerja dengan baik hanya karena ada cukup bahan baku bintang di ruang angkasa untuk semua orang.

Kemudian, ketika cadangan habis, tingkat kelahiran bintang turun. Namun, galaksi telah menemukan kemampuan untuk meningkatkannya melalui tabrakan dan penggabungan. Benar, agar opsi ini terwujud, galaksi yang bertabrakan harus memiliki pasokan hidrogen antarbintang yang layak. Untuk galaksi elips besar, di mana ia praktis hilang, penggabungan tidak membantu, tetapi dalam galaksi diskoid dan tidak beraturan itu berhasil.

Kursus tabrakan

Mari kita lihat apa yang terjadi ketika dua galaksi tipe piringan yang hampir identik bergabung. Bintang mereka hampir tidak pernah bertabrakan - jarak di antara mereka terlalu jauh. Namun, piringan gas setiap galaksi mengalami gaya pasang surut karena gravitasi tetangganya. Materi barionik dari piringan kehilangan sebagian momentum sudut dan bergeser ke pusat galaksi, di mana kondisi untuk pertumbuhan eksplosif dalam laju pembentukan bintang muncul.

Beberapa zat ini diserap oleh lubang hitam, yang juga bertambah massa. Pada fase terakhir penyatuan galaksi, lubang hitam bergabung, dan piringan bintang dari kedua galaksi kehilangan struktur sebelumnya dan tersebar di ruang angkasa. Akibatnya, satu elips terbentuk dari sepasang galaksi spiral. Tapi ini tidak berarti gambaran yang lengkap. Radiasi dari bintang muda yang terang dapat meledakkan sebagian hidrogen dari galaksi yang baru lahir.

Pada saat yang sama, pertambahan aktif gas ke lubang hitam memaksa lubang hitam dari waktu ke waktu untuk menembakkan pancaran partikel energi yang sangat besar ke luar angkasa, memanaskan gas di seluruh galaksi dan dengan demikian mencegah pembentukan bintang baru. Galaksi secara bertahap menjadi tenang - kemungkinan besar selamanya.

Galaksi dengan ukuran berbeda bertabrakan secara berbeda. Galaksi besar mampu menelan galaksi kerdil (sekaligus atau dalam beberapa langkah) dan pada saat yang sama mempertahankan strukturnya sendiri. Kanibalisme galaksi ini juga dapat merangsang pembentukan bintang.

Galaksi kerdil benar-benar hancur, meninggalkan rantai bintang dan pancaran gas kosmik, yang diamati baik di Galaksi kita maupun di Andromeda yang bertetangga. Jika salah satu galaksi yang bertabrakan tidak terlalu unggul dari yang lain, efek yang lebih menarik mungkin terjadi.

Menunggu teleskop super

Astronomi galaksi bertahan hampir satu abad. Dia mulai praktis dari awal dan mencapai banyak hal. Namun, jumlah masalah yang belum terpecahkan sangat besar. Para ilmuwan berharap banyak dari Teleskop Orbit Inframerah James Webb, yang dijadwalkan diluncurkan pada 2021.