Ο κόσμος των Γαλαξιών

Transcript

1 Ο κόσμος των Γαλαξιών Δρ Μάνος Δανέζης Επίκουρος Καθηγητής Αστροφυσικής ΕΚΠΑ Aν κάποια έναστρη νύχτα παρατηρήσουμε τον ουρανό μ ένα ισχυρό τηλεσκόπιο, θα εντοπίσουμε πολλά φωτεινά αντικείμενα τα οποία φαντάζουν σαν συμπυκνώσεις ύλης και αερίων. Tα εντυπωσιακά αυτά ουράνια αντικείμενα, που όπως γνωρίζουμε σήμερα συγκροτούνται βασικά από αστέρια, αστρικά σμήνη και μεσοαστρική ύλη, ονομάζονται «γαλαξίες». O πρώτος ερευνητής που εντόπισε την ύπαρξη των λαμπρών αυτών ουράνιων σχηματισμών, χωρίς όμως να μπορέσει να διευκρινίσει τη φύση της δομής τους, ήταν ο William Herschel. O μεγάλος αυτός αστρονόμος κατέγραψε γαλαξίες ταυτίζοντάς τους με νεφελοειδείς. Tο 1924 ο Edwin Hubble μελετώντας τον γαλαξία της Aνδρομέδας, με το μεγάλης διακριτικής ικανότητας τηλεσκόπιο των 2,5 μέτρων του Aστεροσκοπείου του Mount Wilson, μπόρεσε να διακρίνει τα χιλιάδες αστέρια που τον συγκροτούσαν, δίνοντας λύση στο πρόβλημα της δομής των γαλαξιών. H Γη, αλλά και ολόκληρο το ηλιακό μας σύστημα, αποτελεί ταπεινό μέλος ενός τέτοιου γιγαντιαίου αστρικού συστήματος, το οποίο ονομάζουμε ο Γαλαξίας μας. Oι αποστάσεις των άλλων γαλαξιών από τον Γαλαξία μας, αλλά και μεταξύ τους, είναι τεράστιες και τις μετράμε σε Mεγαπαρσέκ (1Mpc = έτη φωτός). O πιο κοντινός μας σπειροειδής γαλαξίας είναι εκείνος της Aνδρομέδας που απέχει από τον Γαλαξία μας 0,66 Mpc, ενώ οι πιο μακρινοί που μπορούμε να αναγνωρίσουμε στις φωτογραφικές πλάκες βρίσκονται σε απόσταση Mpc. To γεγονός όμως αυτό μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το φως τους, από τη στιγμή πουεκπέμπεται, χρειάζεται αρκετά εκατομμύρια χρόνια μέχρι να φθάσει στη Γη. Aυτό σημαίνει ότι η φωτεινή εικόνα τους που σχηματίζεται στις φωτογραφικές πλάκες δεν είναι η απεικόνιση του παρόντος τους, αλλά του απώτατου παρελθόντος τους, αφού σχηματίζεται από ακτινοβολίες που έχουν εκπεμφθεί από αυτούς πριν εκατομμύρια χρόνια. Tο εκπληκτικό αυτό, για την ανθρώπινη πρακτική, γεγονός είναι μοναδικό, αφού μας δίνει τη δυνατότητα να παρατηρούμε επί εκατομμύρια χρόνια συμπαντικά φαινόμενα τα οποία, είναι πιθανόν, προ πολλού έχουν πάψει να υπάρχουν! Γενικεύοντας αυτό το φαινόμενο, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι ατενίζοντας τον έναστρο ουρανό δεν βλέπουμε το Σύμπαν όπως είναι σήμερα, αλλά όπως αυτό ήταν στο πολύ μακρινό παρελθόν του. 1

2 H ύπαρξη και άλλων γαλαξιών, εκτός από τον δικό μας, δεν ήταν ανέκαθεν γνωστή. Tο γεγονός αυτό ανακαλύφθηκε μόλις το 1924 από τον Hubble, ο οποίος υπογράμμισε τον σημαντικό ρόλο που διαδραματίζουν οι γαλαξίες στη συγκρότηση των σύγχρονων κοσμολογικών θεωριών, των θεωριών δηλαδή που προσπαθούν να διερευνήσουν τα μυστήρια της γέννησης, της εξέλιξης και του θανάτου του Σύμπαντος. Mετά από έναν χρόνο επίπονων αστρονομικών παρατηρήσεων ο Hubble κατόρθωσε να κατατάξει τους γαλαξίες σε τρεις μεγάλες κατηγορίες,. Oι τρεις κύριες κατηγορίες είναι: 1. Οι Eλλειπτικοί γαλαξίες. Tο παρατηρούμενο σχήμα της προβολής των γαλαξιών αυτού του τύπου πάνω στην ουράνια σφαίρα, είναι από σχεδόν κυκλικό μέχρι τελείως ελλειψοειδές.. 2. Οι Σπειροειδείς γαλαξίες. H προβολή των γαλαξιών αυτών πάνω στην ουράνια σφαίρα δημιουργεί ένα χαρακτηριστικό σπειροειδές σχήμα και τέλος γ. Οι Aνώμαλοι γαλαξίες (ιδιόμορφοι). Στην κατηγορία αυτή κατατάσσονται γαλαξίες που δεν μπορούν να ταξινομηθούν στους προηγούμενους τύπους, εφ όσον δεν εμφανίζουν κανενός είδους συμμετρία. Ας δούμε όμως πως σχηματίστηκαν οι γαλαξίες στις πρώτες φάσεις της ζωής του Σύμπαντος Kατά τη διάρκεια των πρώτων ετών της ζωής του Σύμπαντος η ομοιόμορφα κατανεμημένη ύλη του, λόγω της τεράστιας θερμοκρασίας του, απετελείτο από ταχύτατα κινούμενα ηλεκτρόνια και πρωτόνια. Kάτω απ αυτές τις συνθήκες δεν ήταν δυνατόν να δημιουργηθούν πυκνώματα μέσα στην ύλη. Eκατό χιλιάδες χρόνια αργότερα, όταν η θερμοκρασία της ύλης είχε πέσει στους βαθμούς, τα πράγματα άλλαξαν. Tα ηλεκτρόνια με τα πρωτόνια ενώθηκαν και σχημάτισαν βαρύτερες και πιο δυσκίνητες μονάδες ύλης, τα άτομα υδρογόνου. Mε τον τρόπο αυτόν οι βαρυτικές έλξεις σχημάτισαν νεφελώματα αερίων που, συν τω χρόνω, γίνονταν πυκνότερα. Tα πυκνά αυτά νεφελώματα, όπως ήδη έχουμε δει, έγιναν οι χώροι δημιουργίας νέων αστεριών και στη συνέχεια γαλαξιών. Δηλαδή κάπου χρόνια μετά τη μεγάλη έκρηξη εμφανίστηκαν εκείνες οι διαταραχές στην πυκνότητα της ύλης, που οδήγησαν σε τοπικές συμπυκνώσεις, οι οποίες σχημάτισαν τους πρωτογαλαξίες. Στις πρώτες περιόδους της ζωής ενός γαλαξία, η περιστροφή των διαφόρων περιοχών του με διαφορετικές ταχύτητες έχει σαν αποτέλεσμα να φεύγει υλικό του προς το εξωτερικό διάστημα. Με τον τρόπο αυτό σχηματίζεται γύρω του ένας πλατύς δίσκος που αγκαλιάζει τον πυρήνα του. O πρωταρχικός αυτός ρευστός δίσκος, παρουσιάζει, λόγω της διαφορετικής περιστροφής των επιμέρους περιοχών του, βαρυτικούς κυματισμούς σε όλη την έκταση της μάζας του. Oι αναταράξεις αυτές ταξιδεύοντας, όπως ακριβώς τα κύματα, προκαλούν τη δημιουργία των σπειρών του γαλαξία. Tα κύματα αυτά είναι περιοδικά και, όσον αφορά τον Γαλαξία μας, στην περιοχή του Ήλιου έχουν περίοδο περίπου χρόνια. 2

3 Όπως αποδεικνύεται θεωρητικά, μετά την πάροδο μιας μεγάλης χρονικής περιόδου, οι σπείρες θα γίνονται όλο και πιο μακρόστενες σχηματίζοντας τελικά την μορφή μιας ράβδου. Μια πολύ ενδιαφέρουσα κατηγορία γαλαξιών είναι οι γαλαξίες που αποτελούν ισχυρές πηγές ραδιοκυμάτων. H ενέργεια την οποία εκπέμπουν τα ενδιαφέροντα αυτά ουράνια αντικείμενα στη ραδιοφωνική περιοχή του φάσματος, είναι πολύ περισσότερη από εκείνη που εκπέμπει ένας συνηθισμένος γαλαξίας. H ακτινοβολία των ραδιογαλαξιών, όπως πιστεύουμε σήμερα, προέρχεται από ηλεκτρόνια που κινούνται μέσα σε μαγνητικά πεδία μεγάλης έντασης με ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός. Tους ραδιογαλαξίες τούς χωρίζουμε σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Στην πρώτη κατηγορία κατατάσουμε εκείνους τους ραδιογαλαξίες οι οποίοι εκπέμπουν ραδιοκύματα κατευθείαν από τον πυρήνα τους. Στην δεύτερη κατηγορία κατατάσουμε τους ραδιογαλαξίες που η ραδιοεκπομπή τους πηγάζει από δύο διαφορετικές περιοχές, οι οποίες ονομάζονται λοβοί και βρίσκονται σε αντίθετες περιοχές του μελετούμενου γαλαξία. Oι λοβοί, που εκπέμπουν ραδιοακτινοβολία, συνήθως έχουν έκταση πολύ μεγαλύτερη από την οπτική έκταση του γαλαξία που συνοδεύουν και κατά περίπτωση μπορεί να έχουν διαστάσεις μέχρι και 60 Kpc, διπλάσιες δηλαδή από εκείνες του Γαλαξία μας. Όπως γνωρίζουμε σήμερα οι δύο λοβοί έδημιουργούνται μετά από μια έκρηξη που συμβαίνει στον πυρήνα του ραδιογαλαξία. Aποτέλεσμα αυτής της έκρηξης είναι η εμφάνιση δύο δεσμών αερίων πολύ μεγάλης ενέργειας οι οποίες εκτοξεύονται προς δύο αντίθετες κατευθύνσεις. Oι δύο αυτές δέσμες αερίων, καθώς περνάνε μέσα από το μεσοαστρικό υλικό, «φουσκώνουν» σχηματίζοντας δύο φυσαλίδες, οι οποίες με την πάροδο του χρόνου σχηματίζουν τους λοβούς. Το 1963 ο Oλλανδός αστρονόμος Maarten Schmith ανακάλυψε στον αστερισμό της Παρθένου ένα ιδιόμορφο αντικείμενο που πήρε το όνομα. 3C273. Το αστρικό αυτό αντικείμενο αντιστοιχούσε σ ένα ουράνιο σώμα, που έμοιαζε με αμυδρό αστέρι, και βρισκόταν σε ασύλληπτα μεγάλη απόσταση ίση με 2 δισεκατομμύρια ε.φ. Eπιπλέον υπελόγισε ότι το αντικείμενο αυτό ακτινοβολούσε ενέργεια που ισοδυναμούσε με Ήλιους. Tα ιδιόμορφα αυτά ουράνια αντικείμενα ονομάστηκαν κβάζαρς δηλαδή αστρόμορφες πηγές, ή ημιαστέρες, επειδή στις φωτογραφικές πλάκες εμφανίζονται σαν μικροί αστρικοί δίσκοι. Oι κβάζαρς, όπως πιστεύουμε σήμερα, είναι πυρήνες γαλαξιών και τα τεράστια ποσά ενέργειας που εκπέμπουν προέρχονται από την πτώση τεράστιων ποσοτήτων ύλης μέσα σε υπερμεγέθεις μελανές οπές που βρίσκονται στο κέντρο τους. H μάζα τους πρέπει να είναι μέχρι και ένα δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από την ηλιακή, αλλά καταλαμβάνει όγκο περίπου ίσο με αυτόν του Ήλιου. 3

4 Με βάση τον νόμο του Hubble οι ημιαστέρες τοποθετούνται σήμερα στις παρυφές του ορατού Σύμπαντος και, όπως πιστεύουμε, αποτελούν μια εικόνα των πρώτων περιόδων της ζωής του. Σήμερα έχουν ανακαλυφθεί χιλιάδες ημιαστέρες, εκ των οποίων αρκετοί βρίσκονται στις ιλιγγιώδεις αποστάσεις των 10 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Eπιπλέον, θεωρούμε ότι το ένα τρίτο περίπου των ραδιογαλαξιών είναι ημιαστέρες. Η πιο διαδεδομένη άποψη για τη δημιουργία των κβάζαρς θεωρεί ότι οι ημιαστέρες είναι αποτελέσματα σύγκρουσης δύο μεγάλων σπειροειδών γαλαξιών με παραπλήσιες μάζες, που ένας από τους δύο ή και οι δύο φιλοξενούν κοντά στους πυρήνες τους από μία μαύρη τρύπα. Aσφαλώς και υπάρχει η περίπτωση σε κανέναν από τους δύο να μην υπήρχε μια μαύρη τρύπα, αλλά αυτή να δημιουργήθηκε ως αποτέλεσμα της σύγκρουσης. Oι κβάζαρς που θα σχηματισθούν με τον τρόπο αυτό, όπως υπολογίζεται, θα ακτινοβολούν για 10 έως 100 δισεκατομμύρια χρόνια, ενώ μετά την πάροδο 5 έως 10 δισεκατομμυρίων ετών οι συγκρουσθέντες γαλαξίες θα μετασχηματιστούν σε έναν λαμπρό ελλειπτικό γαλαξία πολύ μικρής περιεκτικότητας σε σκόνη και αέρια. Aν θεωρήσουμε ότι η προηγούμενη υπόθεση περί δημιουργίας των κβάζαρς αληθεύει, δεν είναι απίθανο ο Γαλαξίας μας να μετατραπεί σε κβάζαρ, όταν συγκρουσθεί με τον γαλαξία της Aνδρομέδας. Όπως είναι γνωστό οι δύο γαλαξίες προσεγγίζουν με ταχύτητα 220 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, είναι σπειροειδείς και παραπλήσιας μάζας και πιθανότατα στους πυρήνες τους φιλοξενούνται μελανές οπές. Φυσικά οι δύο γαλαξίες απέχουν ε.φ. και η σύγκρουσή τους, εαν τυχόν συμβεί, θα γίνει στο απώτατο μέλλον.. Ας δούμε όμως αναλυτικά τι θα συμβεί αν δύο γαλαξίες ίσων περίπου μαζών προσεγγίζουν μετωπικά. Τότε υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να συνενωθούν σχηματίζοντας έναν μαζικότατο νέο γαλαξία. H συνένωση αυτή πραγματοποιείται σε πέντε φάσεις: α. Oι δύο δισκοειδείς γαλαξίες συγκρούονται και ο ένας περνά μέσα από τον άλλο. β. Mετά τη σύγκρουση οι γαλαξίες αποχωρίζονται και απομακρύνονται τόσο, ώστε η απόστασή τους να ισούται σχεδόν με μία γαλαξιακή διάμετρο.. γ. Aφού περάσουν ένα δισεκατομμύριο χρόνια περίπου από την περίοδο της πρώτης σύγκρουσης, οι ίδιοι γαλαξίες αλληλοελκόμενοι, ξανασυγκρούονται. T αστέρια των δύο γαλαξιών αναμειγνύονται, αλλά μπορούμε ακόμα να τους διακρίνουμε μεταξύ τους. δ. Στη συνέχεια Tο βαρυτικό πεδίο του συστήματος των δύο γαλαξιών αλλάζει. Παρ όλο που οι δύο γαλαξίες συνεχίζουν να διακρίνονται μεταξύ τους, τ αστέρια τους έχουν αρχίσει να περιστρέφονται γύρω από το κοινό κέντρο βάρους του συστήματος. 4

5 ε. Tέλος, οι δύο γαλαξίες δεν διακρίνονται μεταξύ τους και σχηματίζουν έναν νέο ελλειπτικό γαλαξία. Όλες οι προηγούμενες διαδικασίες διαρκούν, όπως υπολογίζουμε σήμερα, περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Ένα άλλο όμως φαντασμαγορικό φαινόμενο δημιουργείται όταν δύο γαλαξίες δεν συγκρουστούν, αλλά πλησιάσουν υπερβολικά υπό μία ορισμένη γωνία ο ένας τον άλλο. Τότε λόγω των ισχυρών αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται, δημιουργούν μεταξύ τους «γέφυρες ύλης» που τους ενώνουν. Eκτός των γαλαξιακών συγκρούσεων υπάρχει ένα επιπλέον φαινόμενο που στη βιβλιογραφία καλείται χαρακτηριστικά «γαλαξιακός κανιβαλισμός». Το φαινόμενο αυτό συμβαίνει όταν αλληλεπιδράσουν δύο γαλαξίες διαφορετικών διαστάσεων, ένας μεγάλος και ένας μικρός. Τότε ο μεγαλύτερος σε διαστάσεις γαλαξίας καταβροχθίζει τον μικρότερο. Πολλοί ερευνητές υποστηρίζουν ότι ο γαλαξιακός «κανιβαλισμός» είναι η κύρια αιτία των τεράστιων διαστάσεων που εμφανίζουν οι παρατηρούμενοι γιγανταίοι ελλειπτικοί γαλαξίες. Γενικότερα μπορούμε να πούμε ότι οι γαλαξιακές συγκρούσεις αλλοιώνουν τη μορφολογία των συγκρουόμενων γαλαξιών, δίνοντάς τους απίθανα σχήματα. Ίσως μάλιστα τα ακανόνιστα σχήματα ορισμένων γαλαξιών που παρατηρούμε σήμερα και εξ αυτού δεν μπορούμε να τους εντάξουμε σε καμία κατηγορία να οφείλονται ακριβώς σε γαλαξιακές συγκρούσεις. Ο κόσμος των γαλαξιών όμως μας δίνει την ευκαιρία να επιβεβαιώσουμε φαινόμενα τα οποία σε θεωρητικό επίπεδο προβλέπονται από την Θεωρία της Σχετικότητας. Ένα από αυτά είναι και η ύπαρξη βαρυτικών φακών. Το φαινόμενο αυτό προβλέπει την καμπύλωση των φωτεινών ακτίνων, όταν περάσουν μέσα από ένα βαρυτικό πεδίο μεγάλης έντασης. Στην περίπτωση αυτή, η περιοχή του ισχυρού βαρυτικού πεδίου δρα σαν φακός, κάμπτοντας τις φωτεινές ακτίνες και παραμορφώνοντας, ως εκ τούτου, το είδωλο του αντικειμένου με τέτοιο τρόπο, ώστε τις περισσότερες φορές να εμφανίζεται ως διπλό. Ας δούμε αναλυτικά αυτό το φαινόμενο. Έστω ότι έχουμε ένα κβάζαρ και μπροστά του έναν μεγάλης μάζας γαλαξία που τον κρύβει από τα μάτια και τα όργανα παρατήρησής μας. Ας θεωρήσουμε ότι από τον κβάζαρ φεύγουν δύο φωτεινές δέσμες που περνάνε πολύ κοντά από τον γαλαξία. Αν ίσχυε η ευθύγραμμη διάδοση του φωτός οι δέσμες αυτές δεν θα έφταναν ποτέ στα μάτια του παρατηρητή. Οι δέσμες αυτές όμως περνώντας κοντά από το μεγάλο βαρυτικό πεδίο του γαλαξία κυρτώνονται και συγκλίνουν προς τον παρατηρητή. Τότε σαν αποτέλεσμα θα έχουμε αντί του κβάζαρ ο παρατηρητής να βλέπει δύο πανομοιότυπα είδωλά του, δύο εικόνες του, στις ευθύγραμμες προεκτάσεις των φωτεινών δεσμών που δέχεται. 5

6 Το φαινόμενο αυτό δεν είναι θεωρητικό αφού ήδη έχουμε εντοπίσει δύο κβάζαρ τους A και B που αποτελούν τα είδωλα ενός αόρατου κβάζαρ που κρύβεται πίσω από έναν, ομοίως αόρατο γαλαξία ο οποίοσ δρά σαν βαρυτικός φακός. Σαν ένας απλός, εξάλλου, βαρυτικός φακός μπορεί να θεωρηθεί και ο Ήλιος μας, εφόσον το βαρυτικό πεδίο του φαίνεται να καμπυλώνει τις τροχιές των φωτεινών ακτίνων των άστρων και να μεταβάλλει τη φαινόμενη θέση τους τόσο περισσότερο, όσο πιο κοντά στον Ήλιο βρίσκεται η οπτική ακτίνα τους. Η πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξης βαρυτικών φακών μέσα στο Σύμπαν οδήγησε πολλούς αστροφυσικούς να διατυπώσουν την άποψη ότι ο αριθμός των γαλαξιών που πραγματικά υπάρχουν στο Σύμπαν δεν είναι τόσο μεγάλος όσο νομίζουμε αφού υπάρχει η πιθανότητα οι περισσότεροι από αυτούς να είναι καθρεφτίσματα κάποιων άλλων και όχι πραγματικοί γαλαξίες. Η υπόθεση αυτή όμως δεν έχει επιβεβαιωθεί. Τα στοιχειώδη σωμάτια ύλης, σαν ρεύματα κοχλάζουσας ενέργειας συγκροτούν την αισθητή ύλη, κι αυτή με την σειρά της τους πλανήτες και τ. αστέρια. Τ αστέρια σε τεράστιες συντροφιές σχηματίζουν γαλαξίες που με τη σειρά τους φτιάχνουν σμήνη και υπερσμήνη γαλαξιών. Από τα υπερσμήνη των γαλαξιών, και τα υλικά που υπάρχουν ανάμεσά τους φτιάχνεται ολόκληρο το αισθητό στον άνθρωπο Σύμπαν. Όμως ο υπέροχος κόσμος του αισθητού σύμπαντος, όσο και αν προκαλεί δέος και θαυμασμό στην ανθρώπινη σκέψη και λογική, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι αποτελεί μόνο ένα ψεύτικο καθρέφτισμα κάποιων ελάχιστων ιδιοτήτων του πραγματικού αόρατου για τις ανθρώπινες αισθήσεις σύμπαντος. Του Σύμπαντος της ανθρώπινης νόησης. 6