Kurlink vystosi galaktikos?

Žvaigždės nakties danguje atrodo amžinos ir nekintančios. Bet jų gyvenimai, nors ir skaičiuojami milijonais ar milijardais metų, visgi baigiasi. Be to, žvaigždės juda, jų greičiai - priklausomai nuo atskaitos sistemos - matuojami dešimtimis ir net šimtais kilometrų per sekundę. Juda bei keičiasi ir galaktikos, jose gimsta ir miršta vis naujos žvaigždės, kinta jų cheminė sudėtis ir jose esančios struktūros, vyksta susiliejimai ir medžiagos išmetimai... Skirtumų tarp individualių galaktikų yra daugybė, tačiau bendros tendencijos yra panašios.

Šis straipsnis iš dalies yra tęsinys ankstesnio, kuriame rašiau apie galaktikų atsiradimą ir vystymąsi iki šių dienų. O apskritai šio teksto nebūtų, jei ne mano rėmėjai Patreon platformoje, tad ačiū jiems! Jei panašių tekstų norite matyti ir daugiau, visada galite mane paremti.

Elipsinė galaktika IC 2006. Ateityje visos galaktikos atrodys maždaug taip. Šaltinis: NASA, ESA/Hubble
Elipsinė galaktika IC 2006. Ateityje visos galaktikos atrodys maždaug taip. Šaltinis: NASA, ESA/Hubble

Viskas vis lygiau

Stebėdami tolimas galaktikas, matome jų vaizdą iš praeities. Tolimiausių žinomų galaktikų šviesa iki mūsų keliauja daugiau nei 13 milijardų metų. Jas analizuodami, galime susidaryti vaizdą apie pokyčius, vykusius iki šių dienų, ir ekstrapoliuoti tendencijas į ateitį.

Pagrindinė tendencija yra tokia, kad viskas Visatoje darosi vis tvarkingiau. Prieš dešimt milijonų metų galaktikose buvo pilna milžiniškų dujų telkinių, pašėlusiai formuojančių žvaigždes. Vėliau jie susijungė tarpusavyje, o galaktikose nusistovėjo aiški didelio masto struktūra, ar tai būtų diskai su spiralinėmis vijomis, ar elipsoidai. Karts nuo karto galaktikos susilieja tarpusavyje - tada medžiaga sudarkoma ir tvarkos sumažėja, bet ji netrunka atsistatyti. Priklausomai nuo susiliejimo dydžio (t.y. besijungiančių galaktikų masių santykio) atsistatymui gali prireikti ir keleto milijardų metų, bet susiliejimo pasekmės pranyksta. Tačiau ne visai - po susiliejimo galaktika tampa truputį tvarkingesnė, nei buvo iš pradžių.

Tą susitvarkymą po susijaukimo padeda suvokti galvojimas apie vieną tvarų fizikinį dydį - judesio kiekio momentą. Grubiai tariant, tai yra dydis, nurodantis, kaip labai kažkoks objektas sukasi. Galaktikos, kurių judesio kiekio momentas formavimosi metu buvo mažas, tapo elipsinėmis, o tos, kurių jis buvo didelis - diskinėmis. Besijungiančios galaktikos abi turi savo judesio kiekio momentus: ir dėl to, kad sukasi, ir dėl to, kad juda orbita viena aplink kitą, mat orbitinis judėjimas irgi suteikia judesio kiekio momentą. Tačiau judesio kiekio momentas turi ne tik dydį, bet ir kryptį, ir besijungiančių galaktikų sukimosi bei orbitinis judesio kiekio momentai labai retai yra nukreipti ta pačia kryptimi. Galaktikoms susijungiant, visi trys judesio kiekio momentai susideda į vieną, tačiau sudėję skirtingų krypčių vektorius, gauname rezultatą, kuris yra mažesnis už pirminių vektorių ilgių sumą (matematiškai tai yra tas pats, kas jėgų sumavimas: jei aš traukiu virvę į vieną pusę, o kitas žmogus - į priešingą, mūsų traukimo jėgos viena kitą panaikina, o ne sustiprina). Taigi susiliejusi galaktika dažniausiai sukasi lėčiau, nei prieš susiliejimą, vadinasi tampa labiau elipsine. Jei susiliejimo metu didelė diskinė galaktika suvalgė mažą, didžioji galaktika nėra paveikiama labai stipriai - labiau elipsiškas pasidaro tik jos centras. Bet susiliejusios dvi panašaus dydžio diskinės galaktikos dažnai gali tapti viena didžiule elipsine.

Galaktikų pora "Pelės". Panašiai atrodys ir besijungiančios Paukščių Takas ir Andromeda. Šaltinis: ACS Science & Engineering Team, Hubble Space Telescope, NASA

Tokia lemtis laukia ir Paukščių Tako bei Andromedos. Šiuo metu ši artimiausia didelė kaimynė artėja mūsų link kiek daugiau nei šimto kilometrų per sekundę greičiu, ir po keturių milijardų metų susijungs su Paukščių Taku. Nors tiksliai pasakyti, kaip vyks šis procesas, galimybių neturime, skaitmeniniai modeliai ir kitų besijungiančių galaktikų porų stebėjimai leidžia susidaryti bendrą vaizdą. Galaktikos netaps vienu nauju dariniu iškart - iš pradžių jos pralėks viena pro kitą, tarp jų susiformuos žvaigždžių srautas, o priešingose pusėse - uodegos. Po kurio laiko galaktikos vėl pralėks viena pro kitą, ir dar keletą kartų šitaip teliūskuos pirmyn-atgal, kol galiausiai nusistovės kaip elipsinė galaktika. Dalis žvaigždžių, ypač esančių galaktikų pakraščiuose, bus išmestos į tarpgalaktinę erdvę, bet didžioji dalis liks naujojoje "Milkomedos" galaktikoje. Susiliejimo metu taip pat bus supurtytos ir galaktikose esančios dujos. Dalis dujų priartės labai arti centrinių juodųjų skylių ir galaktikos suaktyvės. Kurį laiką po susiliejimo Milkomeda turės du aktyvius branduolius, kurie po šimto-kito milijonų metų susijungs į vieną juodąją skylę.

Galimas nakties dangaus vaizdas Paukščių Tako ir Andromedos susiliejimo metu. Šaltinis: NASA, ESA, Z. Levay and R. van der Marel (STScI), T. Hallas, and A. Mellinger

Nykštukinių galaktikų ilgalaikė evoliucija taip pat yra aiški - jos visos viena po kitos prisijungs prie didžiųjų galaktikų, kurių palydovės dabar yra. Tokį procesą matome vykstantį nuo pat galaktikų formavimosi pradžios: tankūs dujų telkiniai, formuojantys žvaigždes galaktikose prieš 10 ir daugiau milijardų metų, yra šiandieninių nykštukinių galaktikų analogai. Sąveikaudama su didelės galaktikos tamsiosios materijos halu, nykštukinė galaktika po truputį skęsta jame ir per milijardus metų jame pranyksta. O naujos nykštukinės galaktikos iš niekur neatsiranda, taigi jų vis mažėja. Per dešimtis milijardų metų aplinkinės nykštukinės galaktikos taps Paukščių Tako, Andromedos, Trikampio galaktikos, o vėliau jų junginio dalimi.

Taigi artimiausių keliasdešimties milijardų metų evoliucija yra daugmaž aiški: Andromeda ir Paukščių Takas susijungs, su jais panašiu metu ar kiek vėliau susijungs trečia didžiausia Vietinės grupės narė - Trikampio galaktika. Nuolatos bus prisijungiamos nykštukinės galaktikos, kol galiausiai visa Vietinė grupė, sudaryta iš trijų didelių ir daugiau nei šimto nykštukinių galaktikų, taps vienu dideliu tamsiosios materijos ir žvaigždžių (ir šiek tiek dujų) telkiniu - elipsine galaktika.

Pabėgimas už horizonto

Kas nutiks kitoms galaktikoms, nepriklausančioms Vietinei grupei? Kiekviena galaktikų grupė ar spiečius - šie du terminai reiškia tą patį, tiesiog grupėmis vadinami mažesni galaktikų telkiniai, o spiečiais didesni - per dešimtis ar šimtus milijardų metų susijungs tarpusavyje. O atstumai tarp spiečių nuolatos didės, nes juos į šalis neša Visatos plėtimasis. Didesnės matomos struktūros Visatoje - superspiečiai, galaktikų voratinklio gijos - telkėsi maždaug pirmus aštuonis milijardus metų, tačiau jie nėra gravitaciškai surišti, todėl laikui bėgant greitėjančiai besiplečianti Visata juos išbarstys į gabalus.

Laniakėjos superspiečius, kurio pakraštyje pažymėta Vietinė galaktikų grupė. Šaltinis: Nature

Didelių nesurištų struktūrų išsibarstymą mūsų palikuonys (na, ar kitų protingų civilizacijų atstovai) galės stebėti apie 150 milijardų metų. Po tiek laiko paskutinės galaktikos, nepriklausančios Vietinei grupei, pasitrauks už kosmologinio įvykių horizonto. Ši riba, ne veltui pavadinta panašiai į juodąsias skyles gaubiančius paviršius, atskiria erdvę, iš kurios signalai gali mus pasiekti, nuo erdvės, kurios signalai mūsų nebepasiekia. Už įvykių horizonto esantys objektai nuo mūsų tolsta taip sparčiai, kad jų išspinduliuoti fotonai yra Visatos plėtimosi nunešami tolyn grečiau, nei patys artėja mūsų link. Tie objektai nuo mūsų tolsta gerokai didesniu greičiu, nei šviesos greitis. Toks judėjimas, beje, reliatyvumo teorijai visiškai neprieštarauja, nes čia kalbame apie erdvės plėtimąsi, o reliatyvumo teorija šviesos greičiu apriboja tik objektų judėjimą erdvėje, bet ne pačią erdvę.

Šiuo metu kosmologinis įvykių horizontas yra maždaug už penkių gigaparsekų nuo mūsų - daugiau nei 5000 kartų toliau, nei Andromedos galaktika. Tiesa, šis atstumas yra apie tris kartus mažesnis, nei regimosios Visatos dydis. Kaip taip gali būti? Skirtumas atsiranda dėl baigtinio šviesos greičio. Regimosios Visatos dydis yra apibrėžiamas kaip dabartinis atstumas iki objektų, kurių išspinduliuotą šviesą galime matyti. Bet mūsų matoma šviesa buvo išspinduliuota labai seniai, ir kol ji atlėkė iki mūsų, tie objektai spėjo nutolti gerokai toliau, nei buvo tada, kai išspinduliavo dabar matomą šviesą. Šiuo metu spinduliuojamos tų objektų šviesos mes jau niekada nepamatysime.

Įvairūs kosmologiniai horizontai ir jų evoliucija laikui bėgant. Laikas čia yra vertikalioje ašyje (kairėje), atstumas - horizontalioje. Įvykių horizontas pažymėtas raudona linija. "Kartu judantis" (comoving) atstumas yra atstumas, skaičiuojamas neatsižvelgiant į Visatos plėtimąsi. Šaltinis: Physics Stack Exchange

Laikui bėgant, kosmologinis įvykių horizontas traukiasi. Jis plėtėsi pirmus aštuonis milijardus Visatos gyvenimo metų, kol Visatos plėtimasis lėtėjo. Vėliau, jam pradėjus greitėti, vis artimesni objektai būdavo ištraukiami už to horizonto. Taip tęsis ir toliau, kol horizonte liks tik Vietinė galaktikų grupė, tiksliau ta viena mega-galaktika, susidariusi susijungus grupės narėms. Taip apribota regimoji Visata nustos ir plėstis: radikaliai pasikeitus medžiagos pasiskirstymui - iš daugmaž tolygaus į koncentruotą viename objekte - pasikeis ir evoliucija. Kaip dabar dėl kosmologinio plėtimosi nedidėja galaktikos, taip ateityje nustos plėstis ir regimoji Visata. Tada formaliai įvykių horizontas vėl ims tolti, tačiau iš jo pabėgusių objektų nebepasivys.

Žvaigždės į dulkes

Pačios mega-galaktikos evoliucija bus daugmaž tolygi, tęsianti tas pačias tendencijas, kokios matomos jau nuo dešimties milijardų metų praeities. Dujų galaktikoje mažėja, žvaigždžių - daugėja, tačiau žvaigždžių formavimosi sparta lėtėja. Vis naujos žvaigždžių kartos praturtina likusias dujas už helį sunkesniais elementais, astrofizikų vadinamais "metalais". Saulėje metalai sudaro apie 2% žvaigždės masės, šiuo metu žinoma žvaigždžių, kuriose metalų yra apie tris kartus daugiau. Skaičiai vis dar nedideli, bet auga. Žvaigždės formuosis dar apie šimtą trilijonų metų  - tiek laiko mega-galaktikoje dar turėtų būti šiek tiek dujų. Aišku, šis skaičius žinomas labai netiksliai, bet gana aišku, kad žvaigždžių formavimasis tęsis gerokai ilgiau, nei Vietinei grupei užtruks susijungti į vieną objektą.

Pasibaigus žvaigždžių formavimosi epochai, santykinai netrukus - po kelių trilijonų metų - paskutinės žvaigždės paliks pagrindinę seką ir taps baltosiomis nykštukėmis. Po dar kurio laiko mega-galaktika taps tamsių objektų - juodųjų nykštukių (taip vadinamos labai atvėsusios baltosios nykštukės), neutroninių žvaigždžių, juodųjų skylių, rudųjų nykštukių bei planetų - pilnu telkiniu. Veikiami tarpusavio gravitacijos, šie objektai skraidys savo orbitomis, kartais sąveikaudami tarpusavyje. Tas sąveikas galima suskirstyti į dvi rūšis - artimas bei tolimas.

Artimomis sąveikomis vadinamos tokios, kuriose svarbios konkrečios dviejų kūnų padėtys. Pavyzdžiui, viena pro kitą pralekiančios juodosios skylės gali stipriai pakeisti orbitas ir dėl gravitacinės svaidyklės efekto viena iš jų gali išlėkti iš galaktikos. Tolimos sąveikos yra tokios, kurioms konkrečių kūnų padėtys nesvarbios, svarbus tik statistinis jų pasiskirstymas. Dėl tolimų sąveikų kūnai irgi gali išlėkti iš galaktikos, bet toks likimas laukia mažesnės nei vidutinės masės objektų, tuo tarpu masyvesni po truputį artėja prie galaktikos centro. Laikui bėgant - kalba vėlgi eina apie trilijonus metų - didelė dalis mažų objektų pabėgs iš mega-galaktikos, o likusieji sukris į centrinę juodąją skylę. Taip įvykus, jau ir apie galaktikas kalbėti nebebus prasminga.

Kosmologija po trilijono metų

Dar nesibaigus galaktikų egzistavimui, netgi nesibaigus žvaigždžių formavimuisi, mega-galaktikoje gyvenančioms civilizacijoms iškils problema. Na, nežinau, ar tikrai tai galima vadinti problema, nes tos civilizacijos nebūtinai ją kaip tokią suvoks. Tiesiog tada, kai visi kiti galaktikų spiečiai (ar iš jų susidariusios mega-galaktikos) paliks kosmologinį įvykių horizontą, o iš praeities ateinanti jų šviesa nusilps tiek, kad nebeliks galimybės tas galaktikas pamatyti, stebėtojai nebeturės ir būdo išmatuoti Visatos plėtimąsi. Visata jiems atrodys statiška ir nekintanti, panašiai, kaip prieš daugiau nei šimtą metų galvojo žmonija.

Ir visgi net ir tada bus įmanoma išsiaiškinti, kad toji nekintanti Visata kadaise turėjo pradžią. Tam reikės šiek tiek daugiau žinių, nei turėjo Edvinas Hubble`as ir jo amžininkai, išaiškinę Visatos plėtimąsi, bet šiandieninių astronomijos žinių tam pakaktų. Pirmasis Visatos baigtinumo įrodymas - žvaigždžių metalingumas. Susieję žvaigždžių amžius su chemine sudėtimi matome, kad senesnės žvaigždės turi mažiau metalų (priminsiu, kad tai yra visi už helį sunkesni cheminiai elementai). Vadinasi, laikui bėgant, Visatoje metalų daugėja. Ekstrapoliuodami šį pokytį laiku atgal, mūsų tolimi palikuonys (gal tik intelektualiniai, ne biologiniai) supras, jog kažkada turėjo būti laikas, kai metalų Visatoje nebuvo. Vadinasi turėjo būti ir laikas, kai dar nebuvo žvaigždžių, kurios tuos metalus sukuria. Antrasis įrodymas panašus į pirmąjį. Tai - žvaigždžių ir dujų masių santykis. Suvokus, kad žvaigždės mirdamos į aplinką atiduoda ne visą savo masę, taps aišku, kad laikui bėgant dujų kiekis galaktikoje mažėja. Vėlgi ekstrapoliavimas laiku atgal turėtų parodyti, jog kažkada buvo laikas, kai visa įprasta medžiaga Visatoje buvo dujos, o ne žvaigždės. Taigi žvaigždžių formavimosi epocha turėjo turėti pradžią.

Trečiasis, labiausiai tiesioginis įrodymas - iš mega-galaktikos pabėgančios žvaigždės. Tokios žvaigždės karts nuo karto išlekia iš galaktikų, greičiausiai dėl to, kad galaktikos centre esanti supermasyvi juodoji skylė suardo pernelyg priartėjusią dvinarę žvaigždę. Hipergreitosios žvaigždės kartais gali pabėgti iš galaktikos gravitacinio lauko. Ateityje irgi taip bus, taigi aplink mega-galaktiką bus nuo jos tolstančių žvaigždžių. Pabėgusios iš galaktikos gniaužtų, jos ims tolti vis greičiau, dėl aplink besiplečiančios erdvės. Aptiktus tokias žvaigždes ir išmatavus jų judėjimo greičius bei susiejus juos su atstumais, bus galima nustatyti ir Visatos plėtimosi spartą, kaip Hubble`as padarė naudodamasis galaktikomis.

Hipergreitosios žvaigždės pabėgimo iš galaktikos schematinis vaizdas. Šaltinis: NASA

Net ir po trilijono metų, gyvendami visiškai kitaip atrodančioje Visatoje, protingi padarai galės suvokti apie ją tai, ką suvokiame mes, o galbūt ir dar daugiau.

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *