Astronomie

Galaxie - Entwicklung von Galaxien und Quasaren

Entwicklung von Galaxien und Quasaren

Die Untersuchung des Ursprungs und der Entwicklung von Galaxien und des Quasar- Phänomens hat gerade erst begonnen. Viele Modelle der Galaxienbildung und -entwicklung wurden auf der Grundlage unserer Kenntnisse über die Bedingungen im frühen Universum konstruiert , die wiederum auf Modellen der Expansion des Universums nach dem Universum basierenUrknall (die ursprüngliche Explosion, aus der das Universum entstanden sein soll) und die Eigenschaften des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (die beobachteten Photonen , die uns das lichtdurchflutete Universum zeigen, wie es war, als es einige hunderttausend Jahre alt war) .

Als sich das Universum so weit ausgedehnt hatte, dass die Materie in neutralen Atomen verbleiben konnte, ohne sofort durch Strahlung ionisiert zu werden, war die Struktur offenbar bereits in Form von Dichteschwankungen hergestellt worden. Zu einem entscheidenden Zeitpunkt kondensierten aus der expandierenden Materie kleine Wolken (Protogalaxien ), die unter ihrem eigenen Gravitationsfeld zusammenbrechen und schließlich Galaxien bilden könnten.

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts gab es zwei konkurrierende Modelle der Galaxienbildung: "von oben nach unten" und "von unten nach oben". Im Top-Down-Modell bildeten sich Galaxien aus dem Zusammenbruch viel größerer Gaswolken. Im Bottom-up-Modell bildeten sich Galaxien aus der Fusion kleinerer Einheiten von der Größe von Kugelhaufen . In beiden Modellen ist dieDer Drehimpuls der ursprünglichen Wolken bestimmte die Form der Galaxie, die sich schließlich entwickelte. Es wird angenommen, dass eine Protogalaxie mit einem großen Drehimpuls dazu neigte, ein flaches, schnell rotierendes System (eine Spiralgalaxie) zu bilden, während sich eine mit sehr geringem Drehimpuls zu einem nahezu kugelförmigen System entwickelte (anelliptische Galaxie ).

Der Übergang vom 20. zum 21. Jahrhundert fiel mit einem dramatischen Übergang in unserem Verständnis der Entwicklung der Galaxien zusammen. Es wird nicht mehr angenommen, dass sich Galaxien reibungslos und allein entwickelt haben. In der Tat ist klar geworden, dass Kollisionen zwischen Galaxien während ihrer gesamten Entwicklung aufgetreten sind - und diese Kollisionen waren keineswegs seltene Ereignisse, sondern der Mechanismus, durch den sich Galaxien in der fernen Vergangenheit entwickelten und die Mittel sind, mit denen sie ihre Struktur ändern und Aussehen auch jetzt noch. Beweise für dieses neue Verständnis der galaktischen Evolution stammen hauptsächlich aus zwei Quellen: detailliertere Untersuchungen benachbarter Galaxien mit neuen, empfindlicheren Instrumenten und tiefe Untersuchungen extrem entfernter Galaxien, die in jungen Jahren des Universums beobachtet wurden.

Jüngste Untersuchungen nahegelegener Galaxien, einschließlich der Milchstraßengalaxie , haben Hinweise auf vergangene Kollisionen und die Erfassung von Galaxien gezeigt. Für die Milchstraße ist das auffälligste Beispiel die Schütze-Galaxie, die von unserer Galaxie aufgenommen wurde. Jetzt liegen seine Sterne über den Himmel verteilt, seine sieben Kugelhaufen vermischen sich mit den Kugelhaufen der Milchstraßengalaxie. Lange Schwänze von Sternen um die Milchstraße wurden durch die Begegnung gebildet und dienen als Hinweise auf die Geometrie des Ereignisses. Eine zweite Restgalaxie, bekannt als Canis Major Dwarf Galaxykann auch durch die Erkennung von Sternströmen in den äußeren Teilen unserer Galaxie verfolgt werden. Diese Galaxien unterstützen die Idee, dass die Milchstraße eine Mischung aus Teilen ist, die durch die Verschmelzung vieler kleinerer Galaxien entstanden ist.

Die Andromeda-Galaxie (M31) hat auch eine Vergangenheit mit Kollisionen und Akkretionen. Sein eigentümlicher enger Begleiter, M32, zeigt eine Struktur, die darauf hinweist, dass es sich früher um eine normale, massereichere Galaxie handelte, die in einer früheren Begegnung einen Großteil ihrer äußeren Teile und möglicherweise alle ihrer Kugelhaufen an M31 verloren hat. Tiefe Untersuchungen der äußeren Teile der Andromeda-Galaxie haben riesige kohärente Strukturen von Sternströmen und Wolken ergeben, deren Eigenschaften darauf hinweisen, dass diese die äußeren Überreste kleinerer Galaxien umfassen, die von der riesigen Zentralgalaxie „gefressen“ wurden, sowie Wolken von ausgestoßenen M31-Sternen durch die starken Gezeitenkräfte der Kollision.

Spektakulärer sind Galaxien, die sich derzeit im weiter entfernten, aber immer noch nahe gelegenen Universum im Prozess der Kollision und Akkretion befinden. Die Symptome der Kollision sind die Verzerrung der Form der Galaxien (insbesondere der Spiralarme), die Bildung riesiger Sternbögen durch Gezeiteneinwirkung und die erhöhte Geschwindigkeit der Stern- und Sternhaufenbildung . Einige der massereichsten und leuchtendsten jungen Sternhaufen, die jemals beobachtet wurden, liegen in den Regionen, in denen zwei Galaxien zusammengekommen sind. Ihre Gas- und Staubwolken kollidieren und verschmelzen zu einem spektakulären kosmischen Feuerwerk.

Ein zweiter Beweis für die Tatsache, dass Galaxien durch Verschmelzung wachsen, sind sehr tiefe Untersuchungen des sehr fernen Universums, insbesondere derjenigen, die mit dem durchgeführt wurden Hubble-Weltraumteleskop(HST). Diese Untersuchungen, insbesondere das Hubble Deep Field und das Hubble Ultra Deep Field, ergaben Galaxien, die so weit entfernt waren, dass das vom HST beobachtete Licht sie verließ, als sie noch sehr jung und nur wenige hundert Millionen Jahre alt waren. Dies ermöglicht die direkte Detektion und Messung junger Galaxien, wie sie waren, als das Universum noch jung war. Das Ergebnis ist eine Ansicht eines ganz anderen Galaxienuniversums. Anstelle von riesigen elliptischen Galaxien und großen Spiralen war das Universum in seinen frühen Jahren mit kleinen, unregelmäßigen Objekten besiedelt, die wie bloße Fragmente aussahen. Dies waren die Bausteine, die schließlich größere Galaxien wie die Milchstraße bildeten. Viele zeigen eine aktive Bildung von Sternen, denen schwere Elemente fehlen, da viele der schweren Elemente bei der Bildung dieser Sterne noch nicht erzeugt wurden.

The rate of star formation in these early times was significant, but it did not reach a peak until about one billion years later. Galaxies from this time show a maximum in the amount of excited hydrogen, which indicates a high rate of star formation, as young, very hot stars are necessary for exciting interstellar hydrogen so that it can be detected. Since that time, so much matter has been locked up in stars (especially white dwarfs) that not enough interstellar dust and gas are available to achieve such high rates of star formation.

Eine wichtige Entwicklung, die uns geholfen hat, die Entstehung von Galaxien zu verstehen, ist der große Erfolg von Computersimulationen. Hochgeschwindigkeitsberechnungen der Gravitationsgeschichte von Ansammlungen von Sternen, interstellarer Materie und dunkler Materie suggest that after the big bang the universe developed as a networklike arrangement of material, with gradual condensation of masses where the strands of the network intersected. In simulations of this process, massive galaxies form, but each is surrounded by a hundred or so smaller objects. The small objects may correspond to the dwarf galaxies, such as those that surround the Milky Way Galaxy but of which only a dozen or so remain, the rest having presumably been accreted by the main galaxy. Such computer models, called “n-body simulations,” are especially successful in mimicking galaxy collisions and in helping to explain the presence of various tidal arms and jets observed by astronomers.

Zusammenfassend ist die aktuelle Ansicht der galaktischen Geschichte, dass heutige Galaxien eine Mischung aus riesigen Objekten sind, die kleinere Galaxien in ihrer Umgebung ansammelten, insbesondere zu Beginn der Entstehung des Universums, zusammen mit einigen Überresten kleinerer oder zwergartiger Galaxien noch nicht nahe genug an eine massereichere Galaxie heran, um gefangen genommen zu werden. Die Ausdehnung des Universums verringert allmählich die Wahrscheinlichkeit solcher Gefangennahmen, so dass einige der Zwerge bis ins hohe Alter überleben können - schließlich sterben sie wie ihre riesigen Cousins, wenn alle ihre Sterne zu trüben weißen Zwergen oder schwarzen Löchern werden und langsam verschwinden.