Evoluția și distribuția galaxiilor

Figura 28.1 Ciocnirea galaxiilor. Ciocnirile și fuziunile galaxiilor influențează puternic evoluția acestora. În stânga este o imagine de la sol a două galaxii care se ciocnesc (NCG 4038 și 4039), numite uneori galaxii Antene. Cozile lungi și luminoase sunt materii rupte din galaxii de forțele mareelor în timpul coliziunii. Imaginea din dreapta arată regiunile interioare ale acestor două galaxii, luate de Telescopul Spațial Hubble. Miezurile galaxiilor gemene sunt petele portocalii din stânga jos și din dreapta sus în centrul imaginii. Observați benzile întunecate de praf care traversează în fața regiunilor luminoase. Ciorchinii de stele roz și albastru strălucitor sunt rezultatul unei explozii de formare de stele stimulată de coliziune. (Credit stânga: modificarea lucrării lui Bob și Bill Twardy/Adam Block/NOAO/AURA/NSF; dreapta: modificarea lucrării lui NASA, ESA și Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration)

Cum și când s-au format galaxii precum Calea Lactee? Care s-au format mai întâi: stelele sau galaxiile? Putem vedea dovezi directe ale schimbărilor suferite de galaxii de-a lungul vieții lor? Dacă da, ce determină dacă o galaxie va „crește” pentru a fi spiralată sau eliptică? Și care este rolul „naturii versus hrănire”? Adică, cât de mult din dezvoltarea unei galaxii este determinată de cum arată ea când se naște și cât de mult este influențată de mediul ei?

Astronomii de astăzi au instrumentele necesare pentru a explora universul aproape de la vremea când a început. Noile telescoape uriașe și detectoarele sensibile construite în ultimele decenii fac posibilă obținerea atât de imagini, cât și de spectre ale galaxiilor atât de îndepărtate încât lumina lor a călătorit până la noi de peste 13 miliarde de ani – mai mult de 90% din drumul înapoi la Big Bang: putem folosi viteza finită a luminii și dimensiunea vastă a universului ca o mașină cosmică a timpului pentru a privi înapoi și a observa cum s-au format și au evoluat galaxiile în timp. Studierea galaxiilor atât de departe în orice detaliu este întotdeauna o provocare majoră, în mare parte pentru că distanța lor le face să pară foarte slabe. Cu toate acestea, telescoapele mari de astăzi de la sol și în spațiu fac în sfârșit posibilă o astfel de sarcină.

Observații ale galaxiilor îndepărtate

Să începem prin a explora câteva tehnici pe care astronomii le folosesc pentru a studia modul în care galaxiile se nasc și se schimbă în timpul cosmic. Să presupunem că vrei să înțelegi cum au ajuns oamenii adulți așa cum sunt. Dacă ai fi foarte dedicat și răbdător, ai putea observa de fapt un eșantion de bebeluși de la naștere, urmărindu-i prin copilărie, adolescență și până la vârsta adultă și făcând măsurători de bază, cum ar fi înălțimea, greutățile și dimensiunile proporționale ale diferitelor părți ale lor (organismele) pentru a înțelege cum se schimbă în timp.

Din păcate, nu avem o astfel de posibilitate de a înțelege modul în care galaxiile cresc și se schimbă în timp: într-o viață umană – sau chiar de-a lungul întregii istorii a civilizației umane – galaxiile individuale nu se schimbă aproape deloc. Avem nevoie de alte instrumente decât doar observarea cu răbdare a galaxiilor individuale pentru a studia și înțelege acele schimbări lungi și lente.

Totuși, avem un atu remarcabil în studierea evoluției galactice. După cum am văzut, universul însuși este un fel de mașină a timpului care ne permite să observăm galaxiile îndepărtate așa cum erau cu mult timp în urmă. Pentru cele mai apropiate galaxii, precum galaxia Andromeda, timpul necesar luminii pentru a ajunge la noi este de ordinul a câteva sute de mii până la câteva milioane de ani. În mod obișnuit, nu se schimbă prea multe de-a lungul timpului atât de scurt – stelele individuale din galaxie se pot naște sau mor, dar structura generală și aspectul galaxiei vor rămâne aceleași. Dar am observat galaxii atât de departe încât le vedem așa cum erau când lumina le-a părăsit acum mai bine de 13 miliarde de ani.

Observând obiecte mai îndepărtate, ne uităm mai departe către o perioadă în care atât galaxiile, cât și universul erau tinere (Figura 28.2). Pentru ceva asemănător pe Pământ, imaginați-vă că universitatea dumneavoastră face un proiect în care familiilor studenților internaționali din întreaga lume li se cere să trimită un ziar zilnic din orașul lor natal. Pentru că există un buget limitat, lucrările sunt trimise prin poștă obișnuită. Cu cât un oraș este mai departe de universitatea dvs., cu atât este nevoie de mai mult până când lucrările ajung la facultate și cu atât știrile sunt mai vechi în momentul în care sosesc.

Figura 28.2 Călătoria astronomică în timp. Această imagine în culori adevărate, cu expunere lungă, realizată pe parcursul a 70 de orbite ale Pământului cu Telescopul Spațial Hubble, arată o zonă mică în direcția constelației Sculptor. Grupul masiv de galaxii numit Abell 2744 apare în primul plan al acestei imagini. Conține câteva sute de galaxii și le vedem așa cum arătau acum 3,5 miliarde de ani. Gravitația imensă din Abell 2744 acționează ca o lentilă gravitațională pentru a deforma spațiul și a lumina și a mări imaginile de la aproape 3000 de galaxii de fundal îndepărtate. Galaxiile mai îndepărtate (multe dintre ele destul de albastre) apar așa cum au arătat acum mai bine de 12 miliarde de ani, la puțin timp după Big Bang. Galaxiile albastre erau mult mai frecvente în acea perioadă mai timpurie decât sunt astăzi. Aceste galaxii par albastre deoarece sunt în curs de formare activă a stelelor și produc stele albastre fierbinți și strălucitoare. (Credit: NASA, ESA, STScI)

Nu putem detecta direct schimbările în timp în galaxii individuale, deoarece acestea au loc prea încet. Dar putem observa multe galaxii la multe distanțe cosmice diferite și, prin urmare, timpi diferiți de privire în urmă (cât de departe în timp vedem galaxia). Dacă putem studia o mie de galaxii „copil” foarte îndepărtate când universul avea 1 miliard de ani, și alte o mie de galaxii „copil” puțin mai apropiate când avea 2 miliarde de ani și așa mai departe până în prezent, 13,8 miliarde de ani… vechiul univers al galaxiilor „adulte” mature în apropierea noastră astăzi, atunci poate că putem să punem cap la cap o imagine coerentă a modului în care întregul ansamblu de galaxii evoluează de-a lungul timpului. Acest lucru ne permite să reconstruim „povestea de viață” a galaxiilor de la începutul universului, chiar dacă nu putem urmări o singură galaxie de la copilărie până la bătrânețe.

Din fericire, nu lipsesc galaxiile de studiat. De fapt, cerul este plin de galaxii, toate, cu excepția Andromedei și a Norilor Magellan, prea slabe pentru a fi văzute cu ochiul liber – peste 2 trilioane (2000 de miliarde) de galaxii în universul observabil, fiecare având aproximativ 100 de galaxii. miliarde de stele.

Prin urmare, această mașină cosmică a timpului ne permite să privim în trecut pentru a răspunde la întrebări fundamentale despre de unde provin galaxiile și cum au ajuns să fie așa cum sunt astăzi. Astronomii numesc aceste schimbări galactice de-a lungul timpului cosmic evoluție, un cuvânt care amintește de munca lui Darwin și a altora cu privire la dezvoltarea vieții pe Pământ. Dar rețineți că evoluția galaxiilor se referă la schimbările în galaxii individuale de-a lungul timpului, în timp ce tipul de evoluție studiat de biologi este schimbările din generațiile succesive de organisme vii de-a lungul timpului.