Dlaczego galaktyki zderzają się?

Jeśli wszechświat rozszerza się na zewnątrz, jakie są procesy, w wyniku których jedna galaktyka zejdzie z trasy na tyle, by zderzyć się z inną?

Powiedzmy, Galaktykę Andromedy i Drogę Mleczną.

Wszechświat rozszerza się na dużą skalę. Ale lokalnie rzeczy są zawsze niechlujne.

Lokalnie galaktyki nie są osadzone w kamieniu, poruszają się względem siebie, a kierunki są losowe. Jeśli zbliżą się do siebie wystarczająco szybko, zderzą się.

Ponadto istnieje grawitacja. Niektóre galaktyki są ze sobą związane grawitacją, a to z reguły wiąże je ze sobą.

Co do tego, dlaczego galaktyki w ogóle poruszają się względem siebie - cóż, rzeczy w tym wszechświecie mają energię kinetyczną i rozkładają się losowo. Przy losowej dystrybucji możliwe są wszelkiego rodzaju scenariusze - rzeczy uciekające od siebie, zbliżające się, wpadające na siebie itp.

Jest to chaotyczny i losowy wszechświat, a kolejność ekspansji staje się widoczna tylko na największą skalę.

Galaktyki tak naprawdę nie zbaczają z tropu - nie jest to niemożliwe, ale takie rzeczy prawdopodobnie już się nie zdarzają (w miarę rozszerzania się przestrzeni kosmicznej). Tak naprawdę dzieje się tak, że galaktyki tworzą gromady związane grawitacyjnie - w gromadzie przyspieszenie ziemskie jest większe niż równoważne rozszerzenie przestrzeni między galaktykami, więc zamiast rosnąć dalej, omawiane galaktyki faktycznie zbliżają się z czasem. Ostatecznie powoduje to kolizję i połączenie.

Jeśli ekspansja pozostanie w przybliżeniu stała, nadejdzie moment, w którym nie będziemy już widzieć żadnych galaktyk poza naszą gromadą. Ale dla tych, którzy są wystarczająco blisko, ma to niewielki wpływ - podobnie jak ekspansja przestrzeni kosmicznej nie powoduje powiększania się atomów, planet, układów słonecznych lub galaktyk.

Nie jestem pewien, czy ktokolwiek odpowiedział na zadane pytanie. Podstawową przyczyną jest to, że ogólna ekspansja wszechświata nie ma dużego wpływu na konstrukcje związane grawitacyjnie ze skalami czasu swobodnego spadania, które są znacznie krótsze niż wiek wszechświata (NB: Struktury ze skalami czasu swobodnego spadania dłuższe niż to nie będą źródłem wielu zderzeń galaktyk). Oznacza to, że lokalnie ekspansja w takich strukturach jest znikoma. Nie musi to jednak prowadzić do kolizji w skali czasowej krótszej niż wiek wszechświata.

Pierwszym powodem zderzeń galaktyk jest to, że gromady galaktyk mają bardzo dużą gęstość liczbową - to znaczy odstępy między galaktykami nie są znacznie większe niż „rozmiar” galaktyki, gdzie tutaj „rozmiar” oznacza efektywny interakcyjny przekrój poprzeczny promień. W wyniku tych wysokich gęstości dynamiczne skoki czasu swobodnego opadania w bogatych gromadach (a nawet w mniejszych grupach galaktyk) są rzędu miliardów lat, więc galaktyki mają dużo czasu na interakcję. Dla porównania pomyśl o tym, jak zbudować model skali gwiazd w lokalnym sąsiedztwie i porównaj rozmiary gwiazd z ich separacją. Trudno byłoby stworzyć taki model w skali z gwiazdami o znacznych rozmiarach. Z drugiej strony możesz$\sim 10$

Drugim powodem jest to, że wiele galaktyk zawiera gaz i że gaz może łatwo rozproszyć energię kinetyczną, a także przenieść moment pędu. Innym czynnikiem jest to, że masywne gromady galaktyk zawierają gaz wewnętrzny, który może również służyć do rozpraszania energii kinetycznej. W układzie grawitacyjnym obiekty znajdujące się na orbicie wokół siebie lub wokół wspólnego środka masy potrzebują sposobów, w jakie można utracić energię kinetyczną i moment pędu, aby doszło do zderzenia. Nawet bez gazu fakt, że galaktyki istnieją w grupach i gromadach, oznacza, że ​​interakcje n-ciała mogą służyć do rozproszenia energii i momentu pędu w celu zderzenia.

Galaktyki nie zbaczają z tropu - aby zobaczyć, jak dochodzi do kolizji, musimy wcześnie wrócić do formowania się galaktyk.

Tak więc dzieje się Wielki Wybuch. Przestrzeń kosmiczna zaczyna się rozszerzać - dramatycznie i w ogromnym stopniu. Nawiasem mówiąc, sama przestrzeń się rozszerza, a nie galaktyki poruszające się w przestrzeni - odległości się zmieniają. (Dlatego nazywa się to rozszerzeniem „metrycznym”, przy czym metryka jest terminem określającym odległości, a także dlaczego kosmolodzy twierdzą, że Wielki Wybuch miał miejsce „wszędzie”).

W ułamku sekundy ogromna ekspansja maleje. Przestrzeń kosmiczna wciąż się powiększa, ale w znacznie wolniejszym tempie. Ostatnia z fundamentalnych sił odrywa się, a kosmos pozostaje niesamowicie gorącą gęstą mieszanką, tak gorącą, że nawet podstawowe cząstki, takie jak protony, neutrony i elektrony, nie mogą jeszcze istnieć - chociaż kwarki mogą.

Ale dzieje się coś bardzo subtelnego. Mimo że ekspansja pozostawiła nam niesamowicie jednorodny, jednorodny wszechświat, gęstość zmienia się lekko między miejscami. Gdy rzeczy stygną, a cząstki zaczynają się kondensować (i anihilować, i inne rzeczy), wszechświatowi pozostaje to, co kosmologowie nazywają falami akustycznymi - w zasadzie falami stojącymi. A jeśli kiedykolwiek widziałeś filmy z wibrującą tacą piasku , będziesz wiedział, że jednym efektem jest to, że pozostawia miejsca z większą ilością piasku, niektóre z mniejszą ilością, z powodu wzorów interferencyjnych. Nasz wszechświat kończy się, gdy się rozszerza, z niektórymi obszarami gęstszymi, a niektóre mniej gęstymi.

W grę wchodzi drugi efekt. Poznasz (lub słyszałeś) o ciemnej materii. Nie wiemy, z czego jest zrobiony, ale wiemy, że istnieje (galaktyki nie mogłyby się bez niego formować, rozpadłyby się lub zajęłyby więcej czasu niż wiek wszechświata), i wiemy wiele o tym, jak zachowuje się - na jakie siły reaguje, a na jakie nie. Interakcja grawitacyjna - tak, bardzo słabo. Interakcja za pomocą siły elektromagnetycznej - nie, wcale. Ten ostatni kawałek jest kluczowy.

Kiedy „zwykła” materia zapada się, nagrzewa się. Na przykład w ten sposób otrzymujemy gwiazdy. Promieniowanie uwalniane podczas zapadania się działa również jako rodzaj nacisku, przeciwdziałając zapadnięciu się, spowalniając go. Właśnie dlatego gwiazdy takie jak nasze Słońce są stabilne tak długo. Ciemna materia nie wchodzi w interakcje elektromagnetyczne (o ile wiemy), więc nie może doświadczać ani wytwarzać promieniowania elektromagnetycznego. Kiedy się zapada, nie nagrzewa się, nie uwalnia promieniowania ... Myślę, że widać, dokąd to zmierza. Podczas zapadania nie jest uwalniane promieniowanie, które jest odporne na dalsze zapadanie się, więc może zapaść się znacznie szybciej niż zwykła materia . Na marginesie, ponieważnie może uwalniać promieniowania, nie może także wyrzucić energii, którą należy się pozbyć, aby umożliwić tworzenie się gęstych obiektów. Kończy się więc szybkim zapadnięciem w mglistą rozproszoną „aureolę”, ale wtedy nie może zapaść się znacznie więcej. Nic dziwnego, że zapada się w tych miejscach, w których wszechświat był ułamkowo gęściejszy. Otrzymujesz więc to, co kosmolodzy nazywają „włóknami” i „aureolami” ciemnej materii, trochę jak gąbka lub szwajcarski ser z oddzielającymi je porównawczymi „pustkami”. Zwykła materia jest silniej przyciągana przez te już istniejące włókna ciemnej materii i aureole. Wali się w ich stronę. Grawitacja zwykła materii jest zwiększana przez grawitację ze względu na koncentrację ciemnej materii - i zwykła materia może tracą energię przez promieniowanie, więc zapada się bardziej niż ciemna materia, tworząc galaktyki i ich zawartość, które możemy dziś zobaczyć.

Grawitacja może to zrobić, ponieważ ekspansja wszechświata spowolniła już tak bardzo od swojego „rozkwitu”, że grawitacja może przyciągnąć część materii w przestrzeń szybciej, niż ekspansja może dodać przestrzeń między nimi . Na odległościach kosmicznych grawitacja jest znacznie słabsza, a ekspansja dominuje, więc gromady i supergromady wciąż się rozsuwają, ale w gromadach galaktyki i grupy galaktyk są przyspieszane przez grawitację na tyle, że w większości pozostają w swoich grupach i gromadach i poruszają się wokół lub orbitować w ich obrębie.

W rezultacie powstaje wszechświat, który w kosmicznej skali widzimy, że ekspansja „wygrywa”, ponieważ grawitacja jest słaba, więc widzimy, jak supergromady się oddalają. Ale w gromadach i grupach galaktyk widzimy, że grawitacja „wygrywa”, ponieważ jest silniejsza na mniejszych odległościach, więc gromady i powiązane grawitacyjnie istoty, takie jak galaktyki, pozostają razem.

To z kolei oznacza, że ​​galaktyki i grupy galaktyk są związane grawitacją bardziej niż są oddzielone ekspansją. Pozostają więc w ruchu w swoich klastrach i grupach, pomimo powszechnej ekspansji. I czasami, ponieważ ruch 3 lub więcej oddzielnych ciał pod grawitacją jest chaotyczny (a gromady mogą zawierać miliardy lub tryliony galaktyk), całe galaktyki zostaną wyrzucone, zderzą się lub zrobią wszystko, co robią galaktyki. I tak to się dzieje.

(Chociaż nie pytałeś, naturalnym pytaniem jest zastanawianie się, co będzie dalej. Wierzymy, że tempo ekspansji powoli przyspieszyło. Oznacza to, że w dalekiej przyszłości (dziesiątki i setki miliardów lat) galaktyki będą muszą być jeszcze bliżej siebie, aby grawitacja zdominowała ekspansję. Tak więc gromady, które są teraz stabilne, mogą rozpadać się w dalekiej przyszłości. Jeśli ekspansja przyspieszy wystarczająco, wtedy nawet mniejsze ciała mogą ostatecznie się rozpaść, być może same galaktyki, a nawet gwiazdy i atomy Ale to jest coś, czego nikt nie wie.)

$70 km.s^{-1}Mpc^{-1}$$70 km.s^{-1}$$110 km.s^{-1}$$70 km.s^{-1}$

Chociaż Wszechświat się rozszerza i, ogólnie rzecz biorąc, im dalej galaktyka znajduje się od nas, tym szybciej wydaje się oddalać od nas. Nie dotyczy to galaktyk w grupie lokalnej. która jest strukturą związaną grawitacyjnie. Galaktyka Andromeda porusza się w kierunku Drogi Mlecznej z prędkością około 400 000 km / hi oczekuje się, że Droga Mleczna i Andromeda zderzą się za około 4 miliardy lat. Kiedy tak się stanie, powstanie duża nowa pojedyncza galaktyka. Nowa galaktyka, która powstanie w wyniku fuzji, czasami nosi nazwę Milkomeda. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz mój najnowszy post na blogu na ten temat.

Przez miliardy lat Milkomeda będzie stopniowo wchłaniać innych członków Grupy Lokalnej.

Ogólnie rzecz biorąc, każda struktura związana grawitacyjnie, taka jak: układy gwiezdne (np. Układ słoneczny) nasza galaktyka oraz grupy i gromady galaktyk nie będą się powiększać wraz z rozszerzaniem się Wszechświata)