Спросите Итана: почему галактики вращаются?

Вселенная начинается с незначительного количества углового момента, который всегда сохраняется. Так почему же планеты, звезды и галактики вращаются?

Ключевые выводы

Повсюду во Вселенной связанные структуры, которые мы видим, от планет и звезд до звездных систем и целых галактик, вращаются, вращаются и имеют большое количество суммарного углового момента.
Но угловой момент всегда сохраняется, а Вселенная рождается с очень, очень маленьким угловым моментом в целом.
Так почему же тогда все эти объекты вращаются, вращаются и вращаются, и откуда берется весь этот угловой момент? Это одна из космических загадок, которую, как нам кажется, мы можем объяснить.

Для каждого явления, которое мы наблюдаем во Вселенной, существует некая глубинная причина, которая должна объяснять его поведение. Учитывая законы физики, существующие фундаментальные объекты и то, как они собираются на основе взаимодействий между ними, мы должны быть в состоянии сделать надежные и надежные предсказания, которые согласуются с Вселенной, которую мы видим сегодня. Другими словами, для каждого эффекта, который мы видим, задача науки состоит в том, чтобы понять причину этого эффекта. Однако иногда это легче сказать, чем сделать. Определенные эффекты, такие как асимметрия вещества и антивещества, гравитационное поведение крупномасштабной космической структуры и ускоренное расширение Вселенной, хорошо известны, но их первопричина остается неясной.

Но некоторые явления действительно можно объяснить с научной точки зрения, даже если объяснение не сразу очевидно. Мейнард Фальконер задает именно такой вопрос:

«Угловой [импульс] является одним из фундаментальных факторов, который необходимо сохранять, и является основным компонентом в определении формы больших и малых космических структур. Началась ли Вселенная с [a] чистого углового момента, равного нулю? Какова связь между угловым моментом… и галактиками, галактиками и их солнечными системами, солнечными системами и различными телами внутри них и т. д.?»

Это отличные вопросы, и космическая история, которую мы собрали, может поместить все это в контекст. Давайте начнем с самого начала и углубимся!

С момента окончания инфляции и начала горячего Большого Взрыва мы можем проследить нашу космическую историю. Темная материя и темная энергия необходимы сегодня, но когда они возникли, еще не решено. Это общепринятое мнение о том, как началась наша Вселенная, но оно всегда подвергается пересмотру с увеличением количества и качества данных. Обратите внимание, что начало инфляции или любая информация о инфляции до ее последних 10 ^ -33 секунд больше не присутствует в нашей наблюдаемой Вселенной.

До того, как произошел горячий Большой Взрыв, произошел период космической инфляции: Вселенная растянулась, создав повсюду однородные условия и запечатлев ряд флуктуаций малой величины во всех космических масштабах. Эти флуктуации включают несовершенства плотности, несовершенства гравитационных волн, а также несовершенства углового момента. Да, верно: когда впервые произошел горячий Большой взрыв, он не просто родился с зародышевыми флуктуациями, которые привели к росту звезд, галактик и крупномасштабной структуры Вселенной, но он родился с Внутреннее количество (и распределение) углового момента тоже.

Но потом что-то происходит: Вселенная расширяется. Некоторые типы несовершенств растут в расширяющейся Вселенной - например, флуктуации плотности - в то время как другие типы несовершенств затухают. Семена углового момента попадают в последнюю категорию, и это легко визуализировать. Вы все знакомы с фигуристом, который вращается, а затем втягивает руки и ноги, раскручиваясь и вращаясь быстрее в процессе. Что ж, расширяющаяся Вселенная - полная противоположность этому: какой бы угловой момент вы ни начали, акт расширения отталкивает массу от вашего центра, заставляя вас вращаться все медленнее и медленнее. В конце концов, независимо от того, с каким угловым моментом вы начали, ваше вращение и/или вращательное движение становятся незначительными.

Когда фигуристка, такая как Юко Кавагути (на фото с Кубка России 2010 года), вращается, отодвинув конечности от тела, ее скорость вращения (измеряемая угловой скоростью или числом оборотов в минуту) -минута) ниже, чем когда она подтягивает свою массу близко к своей оси вращения. Сохранение углового момента гарантирует, что по мере того, как она приближает свою массу к центральной оси вращения, ее угловая скорость увеличивается, чтобы компенсировать это.

Но совсем об этом забывать не стоит! Со временем растущие несовершенства плотности в конечном итоге преодолеют критический порог из-за гравитационного роста: они приведут к тому, что области сверхплотности станут примерно на ⅔ плотнее, чем общая средняя космическая плотность. Всякий раз, когда область пересекает этот порог плотности, она становится гравитационно связанной и не только начинает сжиматься, преодолевая космическое расширение, но начинает притягивать все больше и больше материи из окружающих областей. Он находится на пути к формированию звезд и превращению в протогалактику или даже в более крупную космическую структуру.

Когда это происходит, начинают происходить две вещи.

Помните тот начальный угловой момент, с которым он «родился»? Что ж, теперь, когда эта масса сжимается после расширения, она начинает раскручиваться и снова увеличивать скорость вращения. Этот первоначальный угловой момент не исчез, и теперь, когда он сжимается, у него есть шанс снова стать важным.
И другие массы во Вселенной, особенно близлежащие сверхплотные и недостаточно плотные области, воздействуют на нее приливными силами. «Ближе» к массе сторона испытывает большую гравитационную силу, чем «дальняя» от массы сторона, и это может не только растягивать объект, но и вызывать крутящий момент, что приводит к угловому ускорению и чистому вращению.

Хотя Солнце вращается в плоскости Млечного Пути примерно в 25 000-27 000 световых лет от центра, орбитальные направления планет в нашей Солнечной системе не совпадают с направлением галактики на расстоянии все. Насколько мы можем судить, орбитальные плоскости планет случайным образом встречаются в звездной системе, часто выровненные с плоскостью вращения центральной звезды, но случайным образом совмещенные с плоскостью Млечного Пути, поскольку локальные крутящие моменты от близлежащих масс могут заглушить оказываемые эффекты. общим галактическим вращением.

На самом деле, это явление «приливного момента» является одним из наиболее вероятных виновников того, как отдельные галактики и звездные системы приобретают свои вращения и суммарные угловые моменты. Всякий раз, когда большой объект проходит рядом с другой массой, приливные силы на самом деле становятся сильнее, чем силы гравитации. Помните, что гравитация - это ~1/r^{2сила, по крайней мере, согласно Ньютону.(И только в очень сильных гравитационных полях она другая, даже по Эйнштейну.) Значит, если приблизить массу к объекту - на 10%, 1% или 0,1% от первоначального расстояния - гравитационная сила становится ста, в десять тысяч или даже в миллион раз сильнее исходной гравитационной силы.}

Но приливные силы подчиняются другому правилу: они ведут себя как ~1/r^{3 сила. Это означает, что на больших расстояниях они становятся менее важными по сравнению с гравитационной силой, поэтому, хотя Солнце в 27 миллионов раз массивнее Луны, приливные силы Луны на Земле примерно в три раза больше силы Солнца. Это близкое расстояние чрезвычайно важно. Когда вы приближаете массу к объекту - на 10%, 1% или 0,1% от исходного расстояния - приливная сила, действующая на объект, становится в тысячу, миллион или даже в миллиард раз больше, чем исходная приливная сила..}

Триплет M81, состоящий из M81 (справа в центре), M82 (вверху) и NGC 3077 (слева), соединен обширным мостом из нейтрального водорода. Выпадение газа, звездообразование и гравитационные приливные эффекты связаны друг с другом, при этом сила приливных сил увеличивается гораздо быстрее на более коротких расстояниях, чем даже гравитационная сила.

В том, что я назову «беспорядочной» астрофизической средой, где есть множество плотных сгустков материи, действующих на коротких расстояниях друг на друга, приливные крутящие моменты могут быстро трансформировать ряд систем, которые не вращение в набор, где каждая отдельная система имеет общее, чистое вращение. Особенно большую роль это играет в звездных питомниках и областях звездообразования, где рождаются новые звезды и звездные системы.

Возьмите облако газа, сделайте его достаточно массивным, дайте ему остыть и наблюдайте, как оно коллапсирует под действием гравитации. Когда начнется коллапс, он начнет фрагментироваться на отдельные области, одни с большей массой и более высокой плотностью, а другие с меньшей массой и более низкой плотностью. Области с наибольшей плотностью и массой схлопнутся первыми, сформировав то, что вы можете представить себе как массивный объект в форме картофеля: трехмерную неправильную структуру, в которой одна ось самая длинная, а другая - самая короткая.

Гравитационный коллапс всегда происходит быстрее всего по кратчайшему направлению, и когда это происходит, вы получаете «всплеск», или то, что астрофизики называют блином. В результате этого блинообразования всегда остается околозвездный диск, окружающий самую большую и плотную массу (массы): протозвезду (звезды).

На этом двухцветном изображении показан протопланетный диск вокруг молодой звезды FU Orionis, изображение которого было многократно получено космическим телескопом Хаббла с разницей в несколько лет. Диск изменился, что указывает на то, что он вступает в более продвинутую стадию эволюции, поскольку планеты формируются, а материал, доступный для их формирования и выращивания, испаряется, сублимируется или иным образом сдувается. Ожидается, что планеты и центральная звезда будут двигаться по орбите и вращаться в одном направлении; только столкновения и взаимодействия должны изменить эту историю.

Даже крошечного количества начального углового момента, которое приобретает каждая такая протозвездная система, достаточно, чтобы гарантировать, что каждый протопланетный диск обладает чистым угловым моментом, и это приводит к зрелой звездной системе. где, в целом, есть предпочтительное направление для зрелой звезды, планет и лун, которые возникают, чтобы все двигаться. В частности:

звезда будет иметь предпочтительную ось и направление вращения,
планеты будут преимущественно вращаться вокруг звезды в том же направлении,
луны этих планет будут преимущественно вращаться вокруг каждой планеты в одном и том же направлении,
каждая планета будет вращаться вокруг своей оси в том же направлении,
, и единственными исключениями будут столкновения, слияния или гравитационные взаимодействия между объектами или протообъектами в одной и той же звездной системе.

Мы видим доказательства этого в экзопланетных системах, в протопланетных дисковых системах и даже в нашей собственной Солнечной системе, где единственными исключениями являются вращения Венеры и Урана (которые, вероятно, были сбиты столкновениями).) и спутники, возникшие в результате гравитационного захвата, такие как Тритон Нептуна или Феба Сатурна.

Похожий на пемзу внешний вид и встречное вращение Фебы можно объяснить только в том случае, если она возникла из внешней части Солнечной системы: за пределами того места, где лежат газовые гиганты. Япет, однако, спутник Сатурна, затемненный частицами Фебы, более соответствует происхождению, аналогичному другим основным спутникам Сатурна, поскольку он вращается в том же прямом направлении, что и другие спутники и планеты Солнечной системы.

Ориентация звездных систем, насколько мы можем судить, очень мало связана с общим угловым моментом галактик, в которых они рождаются; локальная динамика сгустков материи и возникающие из них приливные моменты достаточно велики - как в симуляциях, так и в наблюдениях - чтобы они могли преодолеть любой первоначальный импульс всей галактики в целом.

Между тем сами галактики в плотных средах, таких как скопления галактик, испытывают аналогичное явление. Чем ближе вы подходите к центру скопления, тем больше вероятность того, что вы найдете спиральную или дисковую галактику в совершенно случайной ориентации. Кроме того, по мере того, как галактики сливаются и взаимодействуют в этих плотных средах, они с большей и большей вероятностью превращаются в эллиптические галактики, где гладкая, общая спиральная структура вместо этого разрушается, заменяясь случайным «роем» звезд внутри нее, движущихся хаотично, как пчелы окружают улей. Когда мы смотрим на центральные области самых плотных галактических скоплений, в них не только преобладают гигантские эллиптические галактики, но и спиральные и другие дисковые галактики совершенно беспорядочно ориентированы, в отличие от маленьких галактик-спутников вокруг изолированных больших, которые преимущественно группируются в самолет.

Скопление галактик Кома, как видно с помощью современных космических и наземных телескопов. Инфракрасные данные поступают с космического телескопа Spitzer, а наземные данные - с Sloan Digital Sky Survey. В скоплении Волос доминируют две гигантские эллиптические галактики, внутри которых находится более 1000 других спиралевидных и эллиптических галактик. Скорости отдельных галактик в скоплении Волосы слишком велики, чтобы скопление могло оставаться связанным объектом, если только в этом скоплении не существует значительного количества дополнительной материи, то есть источника темной материи.

Но в больших космических масштабах за пределами этих плотных скоплений вы можете задаться вопросом, влияет ли крупномасштабная структура Вселенной на ориентацию возникающих галактик. В конце концов, космическая структура может формироваться двояко, и оба влияния могут иметь значение в зависимости от обстоятельств и начальных условий: сверху вниз и снизу вверх.

Формирование структуры снизу вверх происходит, когда объекты сначала формируются в малых космических масштабах, а затем сливаются вместе, взаимодействуют и выстраиваются, образуя структуру во все более крупных масштабах. Формирование нисходящей структуры, напротив, происходит, когда космические структуры большего масштаба формируются, а затем фрагментируются на более мелкие компоненты, при этом структуры меньшего масштаба сохраняют память или отпечаток более крупных структур, из которых они произошли.

Чем грязнее ваша среда, тем сильнее влияние восходящего формирования. Но когда ваша среда более нетронута - то есть, когда меньше комков материи взаимодействуют в меньших масштабах - вероятность того, что вы будете подвержены влиянию нисходящего формирования, гораздо выше. И самые большие структуры возникают из космической паутины вдоль гигантских нитей с преобладанием темной материи.

На этом изображении показана структура длиной 15 миллионов световых лет, возникшая в результате детального моделирования космической паутины и того, как формируются галактики, скопления галактик и космические нити в самых больших масштабах. Хотя это теоретическое моделирование, как и многие аспекты наших стандартных космологических моделей, в значительной степени согласуется с нашими наблюдениями, возникающие мелкомасштабные особенности, такие как вращение отдельных галактик, также не могут быть определены без данных наблюдений.

Оказывают ли эти нити какое-либо влияние на вращение и общую ориентацию вращения галактик, которые формируются вдоль них? В знаменательном исследовании, опубликованном в августе 2022 года, ученые, работающие над исследованием галактики SAMI, пришли к выводу, что да, эти два явления физически связаны. Что примечательно, так это то, что галактики обычно состоят из двух отдельных компонентов: выпуклости, которая является центральной частью галактики, звезды которой существуют в диффузном, эллиптическом распределении, и диска, который представляет собой наиболее «блинчатую» часть галактики, которая обычно вращается вокруг своей оси. одно конкретное направление.

Исследование показало, что по сравнению с ближайшей нижележащей нитью в космической паутине эти связанные галактики обладают следующими свойствами.

Галактики с выпуклостями малой массы имеют свои вращения, параллельные ближайшему филаменту.
Галактики с массивными балджами имеют спины, ориентированные перпендикулярно ближайшему филаменту.
И галактики, в которых преобладают диски, демонстрируют множество различных ориентаций, связанных с особенностями, связанными с движением, а также с массой центральной выпуклости.

Авторы считают, что выравнивание спиновых нитей в значительной степени обусловлено ростом галактической выпуклости, поскольку и то, и другое поддерживается галактическими слияниями. Чем больше количество и серьезность слияний, тем массивнее будет выпуклость и тем выше вероятность переворота выравнивания спин-филамент.

Галактики можно найти вдоль, вблизи и внутри космических нитей. В то время как можно было бы подумать о том, чтобы посмотреть на форму (морфологию) галактики и ориентацию ее диска, чтобы найти корреляции с волокном, на самом деле это звезды в выпуклости галактики и их движение, которое наиболее тесно связано с ориентацией космической паутины. нити.

Поскольку это активная, непрерывная область исследований, немного сложно сделать окончательный вывод о том, что именно вызывает угловой момент и вращение каждого объекта во Вселенной. Однако мы можем констатировать, что есть три основных эффекта, которые, безусловно, объясняют большинство из них.

Первоначальный угловой момент, с которым родились семена структуры во Вселенной, который сохраняется и может снова стать важным, как только эта часть Вселенной перестанет расширяться и начнет гравитационно сжиматься и коллапсировать.
Гравитационное, приливное взаимодействие между различными сгустками материи в малых и средних космических масштабах, особенно важное в плотных, богатых, хаотических средах.
И более крупномасштабные структуры, которые порождают и влияют на субструктуры, которые формируются внутри и вокруг них, от галактик, формирующихся вдоль космических нитей, до планет и лун, формирующихся в звездных системах и звездных скоплениях.

Любая конкретная система будет иметь свою собственную уникальную комбинацию этих эффектов, которые влияют на ее общий, чистый угловой момент, а также вращательные и революционные свойства каждого из ее компонентов. Тем не менее, очень трудно избежать общего вывода, что все объекты обладают угловым моментом. Несмотря на то, что суммарный угловой момент всей Вселенной, вероятно, пренебрежимо мал, вывод о том, что каждый отдельный компонент должен иметь собственный угловой момент, почти неизбежен. Наша собственная Солнечная система и все объекты в ней - лишь один типичный пример, иллюстрирующий ее действие.

Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!