Kaip atsirado galaktikos: štai kaip viskas vyko pirmosiomis Didžiojo sprogimo akimirkomis ir kas dėsis ateityje

Iš viso regimojoje Visatoje yra apie šimtą milijardų galaktikų. Vien aplink Paukščių Taką sukasi apie 50 palydovių (Magelano debesys - masyviausi iš jų), Andromeda jų turi panašiai.

Mažiausiose galaktikose yra vos po kelis šimtus žvaigždžių, Paukščių Take - tarp 200 ir 400 milijardų, o didžiausiose žinomose galaktikose - daugiau nei trilijonas.

Kai kurios galaktikos yra vienišos, atskirtos nuo aplinkinių kosminėmis tuštumomis, besidriekiančiomis šimtus milijonų parsekų; kitos telkiasi į spiečius, kuriuose tūkstančiai galaktikų telkiasi į vos keleto megaparsekų skersmens tūrį.

Skiriasi galaktikų spalvos, šviesumai, cheminė sudėtis, forma... Iš kur visa ši įvairovė? Kaip jos atsirado, evoliucionavo ir kaip vystysis ateityje?

Pasakojimą pradėsiu trumpu priminimu, kad visa tai, ką čia aprašau, mes išsiaiškinome per mažiau, nei pastaruosius šimtą metų.

Tik XX a. trečiajame dešimtmetyje buvo visuotinai pripažinta, kad Paukščių Takas nėra vienintelė galaktika Visatoje. Iki tol Andromeda ir kiti panašūs dariniai buvo vadinami "ūkais" ir laikomi Paukščių Tako pakraščių objektais, tačiau XX a. antrajame dešimtmetyje atlikti kintančiųjų žvaigždžių stebėjimai pirmą kartą leido gana patikimai nustatyti atstumą iki jų. Tuomet paaiškėjo, kad šie objektai yra gerokai per toli ir į mūsų Galaktiką netelpa.

Po keleto metų Hubble'as atrado visuotinį Visatos plėtimąsi ir galaktikos tapo visuotinai priimta astrofizikinio Visatos supratimo dalimi. Visuotinis plėtimasis vėliau davė pradžią ir Didžiojo sprogimo teorijai, kuri mums parodė, jog Visata nėra amžina, o prasidėjo prieš maždaug 14 milijardų metų.

Būtent pačioje Visatos pradžioje, pirmosiomis menkomis sekundės dalimis, vykę procesai ir nulėmė tai, kad dabar aplink save matome tokią didžiulę struktūrų įvairovę. Tomis pirmomis akimirkomis - nors akimirkomis šiuos laiko tarpus vadinti labai netikslu, nes palyginus su jais, akimirka atrodo tarsi amžinybė - Visata buvo mažytė, gerokai mažesnė už atomą. Net ir tokiame mažyčiame tūryje buvo šiek tiek netolygumų, atsirandančių dėl kvantinių fliuktuacijų.

Kvantinės, arba vakuumo, fliuktuacijos - tai energijos lygio svyravimai, nuolat vykstantys visoje erdvėje. Nors apskritai energija yra tvarus dydis, ypatingai mažais masteliai ir ypatingai trumpais laiko tarpais bet kokiame taške energija gali šiek tiek svyruoti; tą aprašo kvantinės fizikos dėsnis, vadinamas neapibrėžtumo principu.

Šie netolygumai, egzistavę po Didžiojo sprogimo praėjus 10⁻³⁶ sekundės daliai, kartu su visa Visata išsitempė į žymiai didesnius mastelius per laikotarpį iki 10⁻³² sekundės. Šis išsitempimas, kurio metu dabartinės regimosios Visatos tūris išaugo maždaug iki krepšinio kamuolio dydžio, vadinamas kosmine infliacija. Infliacija netolygumus ištempė iki tokių didelių dydžių, kad jie nebegalėjo pranykti, ir nuo to laiko jie tik auga. Pasibaigus infliacijai, Visata plėtėsi gerokai lėčiau, o kartu plėtėsi ir įvairūs netolygumai.

Rekombinacija

Nusikelkime maždaug 380 tūkstančių metų į priekį. Tuo metu Visatą sudarė daugybė vandenilio branduolių - protonų, šiek tiek mažiau neutronų, apie dešimt kartų mažiau helio branduolių, vienas kitas ličio branduolys, ištisa jūra elektronų ir daugybė fotonų. Elektronai vis bandė sukibti su protonais, bet ilgai taip neišsilaikydavo, nes visa ši terpė buvo labai karšta ir trumpai pagyvenę atomai vis būdavo jonizuojami. Fotonai lakstė nuo vienos dalelės prie kitos, nuolatos sugeriami, išspinduliuojami iš naujo ir sklaidomi visomis kryptimis, taigi nieko toli pamatyti nebuvo įmanoma - Visata buvo nepermatoma. O tankio netolygumai, užsilikę nuo pirmųjų sekundės dalelių, po truputį vis augo.

Praėjus 380 tūkstančių metų po Didžiojo sprogimo, besplečianti Visata atvėso iki maždaug 3000 Kelvino laipsnių temperatūros. Esant tokiai temperatūrai, sukibę elektronai ir protonai, ar elektronai ir helio arba ličio branduoliai, jau nebeišsiskirdavo. Įvyko Visatos rekombinacija - taip vadinamas būtent tas elektronų ir branduolių sukibimo procesas, - o fotonai staiga nustojo intensyviai sąveikauti su medžiaga ir pagaliau galėjo sklisti visomis kryptimi beveik nepatirdami pasipriešinimo. Visata tapo skaidri. Bet skaidri ji tapo ne visur vienu metu. Kai kurios Visatos dalys, kuriose buvo šiek tiek daugiau medžiagos, plėtėsi ir vėso lėčiau, todėl ir rekombinacija ten įvyko vėliau.

Kitose vietose medžiagos buvo kiek mažiau, plėtimasis vyko greičiau, o rekombinacija įvyko anksčiau. Šie skirtumai atsirado ne atsitiktinai, bet palyginus tvarkingai - juos sukėlė Visatoje sklindančios garso bangos. Taip, kosmose garsas sklinda. To garso išgirsti negalėtume, nes jis yra per silpnas mūsų ausims, bet bangos, judančios per kosminių dujų telkinius, iš fizikinės pusės yra identiškos garso bangoms Žemės atmosferoje.

Fotonai, sklindantys Visatoje nuo rekombinacijos laikų, yra matomi ir dabar - jie sudaro kosminę foninę mikrobangų spinduliuotę. Šios spinduliuotės spektras atitinka 2,725 kelvinų temperatūrą, nes Visata nuo rekombinacijos išsiplėtė daugiau nei tūkstantį kartų, todėl ir fotonai tiek pat kartų atvėso. Mikrobangų fono temperatūra nėra visur vienoda - iš kiek anksčiau rekombinavusių zonų atsklidę fotonai yra šaltesni, iš vėliau rekombinavusių - šiltesni. Skirtumai siekia vos tūkstantąsias laipsnio dalis. Rekombinacijos metu buvę tankio netolygumai Visatoje irgi siekė tik tūkstantąsias vidutinio tankio dalis. Bet to užteko, kad Visatoje imtų formuotis įvairios struktūros.

Nestabilūs džinsai

Nedideli tankio netolygumai Visatoje buvo tie pirmieji branduoliai, aplink kuriuos ėmė telktis pirmosios struktūros. Vieni sutankėjimai po rekombinacijos ėmė nykti, kiti - vis labiau trauktis. Trauktis juos verčia gravitacija, o traukimąsi stabdo slėgis, išaugantis kartu su tankiu.

Šių jėgų balansą prieš daugiau nei šimtą metų ištyrė anglas seras James Jeans. Jo garbei procesas vadinamas Jeanso nestabilumu, o procesui svarbūs fizikiniai dydžiai - Jeanso ilgiu bei mase. Jie apibrėžiami gana paprastai: Jeanso masė yra minimali masė, kuri turi būti susitelkusi konkretaus tankio ir temperatūros regione, kad gravitacija jame nusvertų slėgį ir regionas imtų trauktis. Jeanso ilgis - tai tokio regiono spindulys, laikant, kad jis yra sferiškas rutulys. Kuo tankis didesnis, tuo Jeanso masė mažesnė, nes gravitacijos trauka darosi vis stipresnė. Ir atvirkščiai - kuo temperatūra aukštesnė, tuo masė didesnė, nes karštesnė medžiaga turi didesnį slėgį ir labiau priešinasi gravitacijai. Kitaip tariant, trauktis gali ir didelį tūrį užimantys nežymūs sutankėjimai, ir mažą tūrį užimantys reikšmingai už aplinką tankesni regionai.

Pirmykštėje Visatoje tipinė besitraukiančio objekto masė buvo apie 100 tūkstančių Saulės masių. Didesni medžiagos telkiniai irgi traukėsi, bet darė tą lėčiau, mat jų vidutinis tankis buvo mažesnis, o traukimosi sparta tik nuo jo ir priklauso. Į tuos šimtą tūkstančių Saulės masių įėjo ir įprasta, ir tamsioji medžiaga - pastarosios kiekviename telkinyje buvo apie šešis kartus daugiau. Telkinių buvo daug, jų tarpusavio gravitacija traukė juos vieną prie kito, ir taip pradėjo formuotis galaktikos, jų spiečiai bei visa kosminė didelio masto struktūra, vadinama kosminiu voratinkliu.

Pirmosios galaktikos

Pirmieji gravitaciškai surišti medžiagos telkiniai netruko suartėti ir ėmė jungtis tarpusavyje. Tuo pat metu juose esančios dujos sutankėjo tiek, kad iš jų ėmė formuotis žvaigždės. Šie du procesai nulėmė pirmųjų galaktikų atsiradimą. Manoma, kad pirmosios žvaigždės atsirado praėjus kiek daugiau nei šimtui milijonų metų nuo Didžiojo sprogimo - tiek laiko prireikė susitraukti pirmiesiems medžiagos telkiniams. Besijungiantys tarpusavyje telkiniai - kai kurie su žvaigždėmis, kiti vis dar "tamsūs" - formavo į galaktikas panašius darinius.

Pirmykštės galaktikos atrodė gerokai kitaip, nei dabartinės - jas sudarantys telkiniai nebuvo visiškai iširę, jose buvo labai daug dujų, taigi šimtų milijonų Saulės masių žvaigždėdaros regionai buvo įprastas reiškinys. Šiandieninėse galaktikose panašių objektų tikrai nerasite, jos yra daug tvarkingesnės ir tolygesnės. Tačiau bendrosios galaktikų struktūros - diskai ir elipsoidai - atsirado būtent per pirmąjį milijardą metų po Didžiojo sprogimo.

Skirtumą tarp elipsinių ir diskinių galaktikų nulemia besijungiančių telkinių trajektorijos. Kiekvienas telkinys lekia ne visiškai tiksliai besijungiančios sistemos masės centro link, o taip, tarsi norėtų pralėkti kažkokiu atstumu nuo jo. Tas atstumas vadinamas taikymo nuotoliu. Jei visų atlekiančių komponentų taikymo nuotoliai yra labai maži, lyginant su galutiniu sistemos dydžiu, arba jei vienodai daug trajektorijų yra nukreiptos ir į vieną, ir į kitą pusę nuo masės centro, susijungusi sistema lieka beveik stacionari - nesisukanti. Jei, priešingai, telkinys atlekia su dideliu taikymo nuotoliu, jis ima suktis orbita aplink masės centrą. Jeigu dauguma orbitų nukreiptos panašia kryptimi, susiformuoja galaktikos diskas. Jei orbitų kryptys priešingos, jos viena kitą sunaikina ir grįžtame prie pirmojo - nesisukančio - varianto. Tokios galaktikos laikui bėgant tampa tvarkingomis elipsinėmis, o besisukančiose susidaro gražūs ir didingi spiraliniai diskai. Tiesa, daugumos diskinių galaktikų centre yra ir elipsinis komponentas, vadinamas centriniu telkiniu arba baldžu. Tarp tolimiausių galaktikų apie penktadalis yra elipsinės, o likusios - diskinės.

Galaktikų "tvarkingėjimas" laikui bėgant didele dalimi nulemiamas proceso, vadinamo relaksacija. Jis yra kažkuo panašus į pieno išsimaišymą kavoje ar dūmų išsisklaidymą ore, tačiau vyksta vien dėl žvaigždžių tarpusavio gravitacinių sąveikų. Jį suprasti paprasčiau galvojant ne apie galaktikas, o apie vieną spiečių ir į jį įlėkusią kitą žvaigždę.

Spiečiuje esančios žvaigždės turi įvairius greičius, bet jų įvairovę galima aprašyti tam tikra funkcija - priklausomybe tarp greičio ir tokį ar labai panašų greitį turinčių žvaigždžių skaičiau. Vos įskridusi į spiečių, nauja žvaigždė turi kitokį greitį ir pakeičia bendrą greičių pasiskirstymą; galima sakyti, kad ji "atsimena", jog yra ne šio spiečiaus dalis. Tačiau nuolatos tampoma kitų žvaigždžių gravitacijos, žvaigždė-atklydėlė vis keičia savo trajektoriją, kol po tam tikro laiko "pamiršta" kada nors buvusi už spiečiaus ribų ir tampa spiečiaus dalimi. Visų spiečiaus žvaigždžių greičiai šiek tiek pasikeitė ir naujajai žvaigždei atsirado vieta greičių skirstinyje. Tada sakoma, kad sistema relaksavo.

Dviejų spiečių susijungimas vyksta gana panašiai - iš pradžių žvaigždžių greičiai yra labai įvairūs, bet laikui bėgant nusistovi į vis tvarkingesnę struktūrą. Dujų telkiniai susidūrę relaksuoja daug greičiau, nes dujos gali susidurti tiesiogiai ir sąveikauti ne vien gravitaciškai.

Kuo objektas didesnis, tuo jo relaksacija trunka ilgiau. Kamuoliniai žvaigždžių spiečiai, sudaryti iš milijono ir mažiau žvaigždžių, relaksuoja per keletą milijardų metų. Panašiai užtrunka ir pirmykščių medžiagos telkinių, susijungiančių į pirmąsias galaktikas, relaksacija, todėl praėjus keliems milijardams metų po Didžiojo sprogimo, milžiniški dujų gumulai galaktikose pranyksta ir užleidžia vietą tolygesnėms struktūroms. Pačios galaktikos irgi relaksuoja, tačiau daug lėčiau - Paukščių Tako relaksacijos laikas yra gerokai ilgesnis už Visatos amžių. Tiesa, centrinės galaktikų dalys relaksuoja greičiau, todėl laikui bėgant centrinės diskinių galaktikų dalys storėja ir virsta elipsoidais, daug kuo panašiais į centrinius telkinius.

Dar vienas galaktikoms svarbus procesas, prasidėjęs netrukus po pirmųjų žvaigždžių gimimo, yra Visatos rejonizacija. Pirmųjų žvaigždžių bei tuo pačiu metu pradėjusių augti galaktikų centrinių juodųjų skylių spinduliuotė paskleidė pirmuosius po rekombinacijos fotonus, galinčius jonizuoti vandenilį. Laikui bėgant, ši spinduliuotė užpildė Visatą ir praėjus maždaug 700 milijonų metų po Didžiojo sprogimo didžioji jos tūrio dalis vėl tapo jonizuota. Jonizacija labai pakeitė dujų temperatūrą - neutralios dujos tuo metu jau buvo spėjusios atvėsti iki maždaug šimto kelvinų, o jonizacija jas įkaitino iki 10 tūkstančių. Gerokai įkaitusios dujos gali lengviau pabėgti iš jaunų galaktikų, ypač mažų. Taigi rejonizacijos procesas stipriai apriboja, kokios mažiausios galaktikos gali susiformuoti.

Hierarchiška struktūra

Nykštukinių galaktikų formavimasis ir savybės yra vienas iš svarbiausių neatsakytų Visatos struktūros formavimosi klausimų. Nors griežto apibrėžimo nėra, nykštukinėmis galaktikomis įprastai vadinamos tos, kurių masė nesiekia vieno procento Paukščių Tako masės, t.y. dešimties milijardų Saulės masių. Čia kalbama apie visą masę, įskaitant ir tamsiąją medžiagą. Nykštukinės galaktikos aptinkamos ir besisukančios aplink didesniąsias, ir izoliuotos.

Įdomu tai, kad stebimų nykštukinių galaktikų yra gerokai mažiau, nei prognozuoja skaitmeniniai modeliai - pavyzdžiui, aplink Paukščių Taką turėtų suktis tūkstantis palydovių, o žinoma tik apie 60. Šį skirtumą iš dalies paaiškina aukščiau minėtoji rejonizacija - jonizuotos dujos mažų galaktikų haluose neužsilieka ir žvaigždžių nesuformuoja, taigi tie halai lieka sudaryti vien iš tamsiosios materijos ir negali būti aptinkami. Tiesa, atrodo, kad trūksta ir masyvių palydovių, tokių, kurių žvaigždėdaros rejonizacija sustabdyti negalėjo - šis neatitikimas tarp teorijos ir realybės kol kas nėra išaiškintas.

Palydovinės galaktikos po truputį artėja prie didžiųjų kaimynių ir jose paskęsta. Tokie galaktikų susiliejimai, vadinami mažaisiais, yra nuolatinis reiškinys ir šiuolaikinis pirmųjų galaktikų formavimosi analogas. Krisdama į didesniąją, mažoji galaktika prieš save ir už savęs palieka žvaigždžių srautus, kurie pasilieka didesnės galaktikos pakraščiuose. Įkritusi ir subyrėjusi nykštukinė galaktika gali sujaukti didesniosios diską ar centrinį telkinį ir sustiprinti žvaigždžių formavimąsi.

Didelės galaktikos irgi elgiasi panašiai: buriasi į grupes ir spiečius. Grupė nuo spiečiaus skiriasi tik narių skaičiumi - grupėmis vadinami kelių ar kelių dešimčių galaktikų telkiniai, spiečiais - didesni. Vienos struktūros telkiasi į kitas: grupės buriasi į spiečius, šie - į superspiečius ir taip toliau. Pavyzdžiui, mūsų Paukščių Takas su Andromeda ir kitomis mažesnėmis galaktikomis sudaro Vietinę grupę, pastaroji priklauso Mergelės superspiečiui, šis yra Laniakėjos superspiečiaus dalis.

Spiečiuose esančios galaktikos juda viena kitos atžvilgiu ir kartais taip pat susijungia. Jei besijungiančių galaktikų masių santykis didesnis nei 1:3, susiliejimas vadinamas didžiuoju; jis gali radikaliai pakeisti galaktikos struktūrą. Susijungusios galaktikos sudarko žvaigždžių orbitas, sukuria sąlygas formuotis daugybei naujų žvaigždžių, nemažai senų žvaigždžių išlekia į tolybes, o pačios galaktikos, jei buvo diskinės, dažniausiai pavirsta elipsinėmis. Būtent dėl susiliejimų šiandieninėje Visatoje elipsinių galaktikų yra nebe 20, o apie 60 procentų.

Pirmos dalies pabaiga

Taigi galaktikų atsiradimas - ilgalaikis procesas, ir galima sakyti, kad vis dar nepasibaigęs. Nors visiškai naujų galaktikų "iš niekur" neatsiranda, bet jų nuolatiniai pokyčiai nulemia ir nuolatinį Visatos struktūros kitimą. Žvaigždžių formavimasis galaktikose, nors lėtėjantis pastaruosius dešimt milijardų metų, irgi dar nesibaigė ir tęsis milijardus metų ateityje.