Спросите Итана №62: самая большая спиральная галактика

https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-62-the-biggest-spiral-galaxy-ae15376523c2#.44mfrea7g
  • Перевод

Во Вселенной существуют галактики нереального размера, в тысячи раз больше нашей. Но среди них нет ни одной спиральной!


Иногда я сижу в одиночестве под звёздами
и думаю о галактиках внутри моего сердца
и размышляю, захочет ли кто-нибудь
придать всему этому смысл.
Я хочу.
— Тести Мактестерсон

Наблюдая ночное небо из затемнённой местности невооружённым глазом, можно увидеть звёзды, планеты, и даже тусклые кластеры и туманности. Но если найти действительно тёмное безлунное небо, один объект доминирует над всеми остальными по масштабам и размаху: грандиозный Млечный путь!



Это плоскость нашей галактики, видимая с ребра с нашей точки зрения изнутри неё. Она огромна, содержит сотни миллиардов звёзд, и растянулась на 100 000 световых лет в диаметре. Но что насчёт галактик большего размера? Вряд ли наша такая уж выдающаяся? И на эту тему на текущей неделе был задан вопрос читателем Дугом Ватсом:

Почему нет реально больших галактик? Есть какие-то ограничения, не позволяющие спиральным галактикам стать больше, чем Млечный путь или Андромеда в тысячу или десять тысяч раз?

Оказывается, что Млечный путь – далеко не самая большая из спиральных галактик. Как и Андромеда – крупнейшая галактика в нашем небе по угловому размеру.



Конечно, Андромеда выглядит такой большой в нашем небе из-за комбинации двух факторов:

она и вправду большая! Она содержит порядка триллиона звёзд – то есть в 3-5 раз больше, чем у нас, а её диаметр больше чем в два раза превышает диаметр нашей галактики – он составляет 220 000 световых лет. Это крупнейшая галактика в нашей локальной группе
она близко к нам! Всего лишь в 2,54 миллионов световых лет – это самая близкая к нам большая галактика

Локальная группа не зря так называется – всё, что в неё входит, гравитационно связано с нами. Через несколько миллиардов лет Андромеда, Млечный путь, галактика Треугольника и все другие небольшие галактики сольются вместе в единую гигантскую галактику.

А тип этой галактики, хотите – верьте, хотите – нет, содержит ответ на вопрос читателя.



В результате появится не спиральная галактика, превосходящая нашу, но гигантская эллиптическая! Прежде чем мы перейдём к обсуждению причин этого явления, вспомним, что мы здесь занимается наукой, и рассмотрения парочки изолированных примеров будет недостаточно. Если нам нужно корректно просчитать, что случится с Вселенной, нам нужно принять во внимание весь набор наблюдаемых фактов, и делать выводы из него.

Если мы посмотрим на все галактики Вселенной – и выберем крупнейшие – что мы увидим?



Вот вам интересный пример – на этой картинке есть несколько галактик, и одна из них вполне сравнима с Млечным путём. Это спираль справа — IC 4970, гравитационно взаимодействующая с её гигантским соседом.

Но гигантская галактика с этой картинки, та, что имеет два огромных рукава, простирается ещё дальше, чем картинка показывает. Благодаря ультрафиолетовому свету, наблюдаемому с космического аппарата GALEX, мы знаем, что с точки зрения физических размеров эта галактика крупнейшая спиральная галактика из всех открытых.



Это галактика NGC 6872, 522 000 световых лет в поперечнике. Возможно, существуют спирали и побольше, а эту мы нашли, поскольку она находится от нас на расстоянии «всего лишь» 200 миллионов световых лет. Однако, она гораздо массивнее Млечного пути, Андромеды, и даже их вместе взятых – она гораздо крупнее, и, судя по нашим представлениям, спираль большего размера вряд ли может образоваться.

Но существуют галактики и побольше этой – просто все они эллиптические!



Даже изучив кластер Девы, ближайший большой кластер галактик, мы найдём крупную галактику Messier 87 диаметром в миллион световых лет, содержащую триллионы звёзд, и массой превосходящей нашу в 200 раз.



Галактика на картинке выше — IC 1101, крупнейшая из найденных галактик во Вселенной. Она находится на расстоянии в 1,07 миллиарда световых лет, содержит 100 триллионов звёзд (в 1000 раз больше, чем Млечный путь), масса её составляет 1015 солнечных, диаметр – 5-6 миллионов световых лет.

Если сравнить её с крупнейшей из известных спиральных галактик, то получится, что у неё:
  • почти в 100 раз больше звёзд
  • в несколько сотен раз больше масса
  • в 10 раз больше диаметр


Так что читатель-то прав!



Во Вселенной можно найти достаточно галактик – обычно в центрах гигантских кластеров – масса которых в сотни и тысячи раз превышает массу Млечного пути, но все они не спиральные. К примеру, огромная и яркая спираль справа внизу на изображении кластера Форнакс (выше) имеет физический размер такой же, как и самые крупные галактики слева вверху, но по массе она не дотягивает даже до Андромеды, а гигантские эллиптические галактики многократно превышают Андромеду по массе.

Так отчего же спиральные галактики проигрывают, начиная с определённого размера? Чтобы понять это, давайте посмотрим симуляцию формирования галактики, с моим описанием этапов развития:


  • В ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва, небольшие регионы, которым посчастливилось от рождения содержать больше материи и энергии, чем другим, начинают притягивать больше материи;
  • Со временем они притягивают столько материи, что газовые сгустки коллапсируют и начинается формирование звёзд и звёздных кластеров;
  • Эти кластеры являются частью большей структуры асимметричной формы, коллапсирующей по самой короткой из осей и формирующей диск;
  • Диск обрастает всё новой материей, собирая все ближайшие кластеры, и приобретает спиралевидную форму из-за колебаний плотности;
  • Со временем, мелкие и средние кластеры, вливающиеся в него, затягиваются в центр галактики, сохраняя спиральную структуру.


На этом кончается симуляция и эта часть истории. Скорее всего, именно так сформировались Млечный путь, Андромеда и все другие спиральные галактики. Огромное газовое облако сколлапсировало из-за гравитации, превратилось в блин и закрутилось. Волны плотности, возникающие из-за неравномерностей диска, создали спиральную картину, и она осталась таковой, поскольку ни одно катастрофическое событие её не нарушило.

Но тот самый процесс, благодаря которому рождаются крупные галактики – слияние двух или нескольких больших галактик – и способствует разрушению спиральной структуры!



Именно это в основном мы и наблюдаем: изолированные галактики, никогда не участвовавшие в слиянии, имеют форму спирали. Галактики, участвующие в слиянии, очень сильно деформированы и содержат огромные количества формирующихся звёзд. И галактики, которые недавно прошли этот процесс, и где активное звёздообразование уже завершено, успокаиваются, формируя эллиптическую форму.



Если бы мы захотели, чтобы две большие галактики слились и сформировали спиральную, у них должна была бы быть чрезвычайно удачно совпадающая начальная конфигурация (что статистически маловероятно), включающая нужную ориентацию и вращение. И чем больше случится слияний крупных галактик, тем больше у нас шансов уничтожить спиральную структуру и остаться с эллиптической.

Существуют даже несколько галактик, напоминающих гибрид спиралей и эллипсов. Это, как считается, произошло в результате «полукрупного слияния», когда большая галактика сливается с меньшей по размеру, в результате чего создаётся эллиптическая форма, но при этом сохраняется спиральная.



Именно поэтому крупнейшие спиральные галактики во Вселенной не такие уж и большие, и чем более крупные галактики проходят через слияние, тем больше у них шансов стать гигантскими эллиптическими, а не спиральными! Спасибо за прекрасный вопрос, Дуг, и надеюсь, что ответ удовлетворяет твоё любопытство. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.
Поделиться публикацией
Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

Зачем оно вам?
Реклама
Комментарии 15
  • +7
    Краткое содержание первой половины статьи: все известные крупнейшие галактики — эллиптические.
    Краткое содержание второй половины статьи: все они произошли при слиянии спиральных.

    Предлагаю третью половину статьи: все эллиптические галактики со временем таки превратятся в спиральные.
    При желании можно ещё на пять-семь экранов растянуть.
    • +5
      Вот ради таких комментариев и стоит читать сначала комментарии, а потом смотреть картинки в статье!
    • +2
      Больше всего переживал за Треугольник.
      • +2
        Всё же мозг отказывается представить такие масштабы. Сто триллионов звёзд, у многих из которых наверняка есть свои планеты. По 14000 звёзд на каждого жителя Земли. И это лишь одна из сотен миллиардов галактик в наблюдаемой нами Вселенной. А людишки убивают друг друга за крошечные участки поверхности ничтожной песчинки вращающейся вокруг жёлтого карлика на задворках обычной спиральной галактики.
        • 0
          Тоже модумал
          >Но что насчёт галактик большего размера? Вряд ли наша такая уж выдающаяся?
          Откуда такой пессимизм? Отсюда вопрос, почему это должно быть так очевидно. В смысле, должна быть закономерность или это просто совпадение?
          • 0
            Возьмём из толпы произвольного человека. Вряд ли у него рост больше, чем у всех остальных в толпе. Может быть и так, конечно, но вряд ли.
            То есть, такие штуки любят нормальное распределение. Берём произвольный образец (нашу галактику). Вероятность, что её размер около середины распределения сильно больше вероятности того, что он выдающийся в ту или другую сторону.
            image
        • +4
          Спасибо за увеличение научпопа на русском, но всё же — почему такие ужасные переводы?
          Простейший пример: «кластера Форнакс». Перевод неизвестен, что делать? Да проще простого: открыть статью в en-wiki и посмотреть интервику на русском.
          http://en.wikipedia.org/wiki/Fornax_Cluster
          Русская интервика: http://ru.wikipedia.org/wiki/Скопление_Печи
          Всё. И научпоп-статья становится гораздо ближе к науч-, чем к -попу.
          • 0
            Поживём — увидим.
            • 0
              1. При слиянии галактик происходит интенсивное звёздообразование
              2. Новые звёзды — новые сверхновые
              3. Новые сверхновые — новые стерилизующие всё вокруг гамма всплески

              Вывод:

              4. Слияние галактик убивает в них жизнь

              Вывод 2:

              Круто, что живём в спиральной галактике, закончившей с интенсивным звёздообразованием давным-давно.
            • –3
              Чтение поста и некоторых комментариев вызвало у меня ощущение нереальности происходящего.

              «Я надавил на глазное яблоко. Зеркало раздвоилось, и в нем появилось мое отражение — заспанная, встревоженная физиономия» А. и Б. Стругацкие.


              Образование эллиптических галактик в результате слияния спиральных мне лично видится невозможным. Результат непосредственного взаимодействия галактик зависит от моментов вращения черных дыр в их центрах, моментов вращения звезд, и… всего остального. Как правило результатом будут — те же самые 2 галактики с немного измененным соотношением масс, немного потрепанные, но вполне себе ничего — обычные спиральные галактики.
              Лирическое отступление:
              Спиральны рукава — ударные волны звездообразования. Их угловая скорость не совпадает с угловой скорость звезд. За единственным известным мне исключением — угловая скорость вращения Солнечной системы вокруг Галактического центра совпадает с угловой скоростью спиральных рукавов на нашей широте. Благодаря этому последние несколько миллиардов лет Земля находилась в более-менее комфортных условиях и жизни удалось выжить.
              Это выглядит очень странным. Разумеется, маразматические и антропоцентрические идеи на этот счет не стоит принимать во внимание. Имеет смысл поискать подобные звездные системы, вероятность найти в них жизнь значительно выше, чем…


              Сегодня в результате нощных размышлений, мне пришла в голову мысль: Тип галактики определяется величиной момента вращения чд в ее центре.

              Эллиптические галактики могут быть больше, потому что вращающиеся чд начиная с каких-то значений массы и момента вращения неустойчивы — если в результате испарения момент вращения не уносится или уносится не полностью в соответствии с испарившейся массой, угловая скорость будет возрастать. Когда линейная скорость экватора чд достигнет скорости света, а испарение будет продолжаться, произойдет ББ (Большой Бумм).
              • 0
                «Пришла в голову мысль» — это конечно 100-пудовый контраргумент против компьютерной симуляции.

                Момент чёрной дыры ничтожен по сравнению с моментом галактики. Я сделал оценочный расчёт:

                1. Масса ЧД в центра нашей галактики 4,3 млн. Мc (масс Солнца). Если вся эта масса «крутится» по радиусу горизонта со скоростью света, то момент получается 2*10^35 Mc*м3/сек

                2. Далее оцениваю орбитальный момент всех звезд в Галактике Пусть они все обращаются на расстоянии 10% радиуса от центра. (т.к. плотность в центре сильно выше, но, кстати, зато переферия даёт бОльший вклад в момент за счёт квадрата радиуса). Получил 2*10^60 Mc*м3/сек.

                Даже, если я ошибся на несколько порядков в п.2 в большую сторону, то разница всё равно колоссальна. Поэтому забудьте про момент ЧД в центре, его «нет».

                • 0
                  Спасибо за ответ на мой комментарий.
                  На моей памяти представления о космосе. о галактиках, звездных системах и т.д. менялись несколько раз, иногда кардинально на противоположные. Вот например в начале XXI века я отстаивал идею ( казалось бы вполне естественную) о том, что законы физики одинаковы для всей видимой части Вселенной ( т.н. Метагалактики) — Солнечная система не может быть исключением — планетные системы должны быть у всех звезд — в Метагалактике триллионы планет пригодных для жизни, и она там есть, потому что и Земля не может быть исключением, а жизнь на Земле появилась почти мгновенно по геологическим меркам как только температура воды в мировом океане упала до 70 гр.
                  Меня подвергали жесткой критике, поливали грязью, минусовали. Основные возражения: мы этого не знаем, нам в школе не говорили этого, ты не можешь доказать этого… Такое ощущение, что основной контингент на форумах — тролли, креационисты, свидетели шарикового эфира… и т.д.
                  Прошло совсем немного времени и планетные системы стали обнаруживать пачками. Посмотрим что будет дальше.
                  Хорошо бы разобраться со следующими вопросами:
                  1. Я придерживаюсь предположения. что галактики формируются чд. ( существует астрономическая школа с противоположной точкой зрения). Намеком на доказательство можно считать обнаружение недавно чд, которые только только начали формировать галактику вокруг себя.
                  2. Насколько достоверно установлены массы чд?
                  3. Имеет ли значение общий момент вращения всей галактики на формирование галактики того или иного типа?
                  4. Темная материя, если она есть, ответственна за то, что угловые скорости звезд на всех широтах одинаковы, хотя должны бы уменьшаться по мере удаленности от центра ( как у спиральных рукавов). Почему темная материя влияет на угловую скорость звезд, а на угловую скорость ударных волн звездообразования нет?

                  Проведите эксперимент — в сковородку налейте воды и насыпьте туда какого-нибудь мелкого мусора с разным удельным весом (лучше немного разных цветов). закрутите воду, а потом посмотрите что получится в результате аналоговой симуляции: более плотные частицы будут в центре, образуются спиральные рукава и… так далее.
                  .
                  При формировании галактик (и планетных систем) работает какай-то фактор, аналогичный воде в сковородке. Может быть это то, что называют темной материей? Астрофизика становится все страньше и страньше.
              • 0
                А кто знает про формирование рукавов в спиральных галактиках?
                Согласно законам притяжения, чем дальше звезда от ядра галактики, тем ниже должна быть её скорость. Однако, для того, чтобы рукав не распадался, скорость звезды должна быть пропорциональна расстоянию от центра галактики (ну, может, немного ниже, рукав при этом постоянно изменяется), что не приводит к формированию рукавов. Измерения (приведшие к выводам о тёмной материи) показали, что скорость звёзд примерно одинакова и не зависит от расстояния до центра галактики, что тоже формированию рукавов не способствует. Так как же они тогда формируются? И, может, поэтому в крупных галактиках нет спиральных рукавов?
                • 0
                  Какой-то очень скомканный ответ. Спиральные галактики отличаются от эллиптических наличием зон активного звездообразования — рукавами, а также большого количества межзвездной пыли. Для звездообразования нужен материал, топливо. Спиральные галактики содержат также большое количества молекулярного газа (в основном водород). Чтобы превратить спиральную галактику в эллиптическую — нужно убрать почти весь газ, либо понизить его плотность до недостаточной для формирования новых звезд. В спиральных галактиках газ коллапсирует в новые звезды в основном в рукавах. Без катастрофических событий на это потребуется очень много времени. Но при столкновении галактик интенсивность звездообразования значительно повышается, и большая часть газа превращается в звезды за сравнительно короткое время.

                  Для меня остается вопросом, что происходит с пылью. Насколько будет отличаться результат слияния современных (старых) спиральных галактик от известных сегодня эллиптических галактик сформированных в далеком прошлом, когда пыли еще (практически) не было?

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.