Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 12 – vyšlo 20. března, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

12/2015

Jak rostou galaxie?

Ivan Havlíček

Galaxie se vyvíjejí postupným proměňováním látky, z níž jsou složeny. Současně mohou také narůstat slučováním nebo připojováním svých menších galaktických souputníků. Tyto děje jsou pozorovatelné v různých měřítkách, podle vzdálenosti, v jaké se galaxie nebo skupiny galaxií od nás nalézají. Nejznatelněji se galaktický vývoj projevuje tvorbou nových a zánikem starých hvězd. Nejstarší hvězdy vznikaly z látky, která zde vyvstala po Velkém třesku, tedy téměř výhradně z vodíkuVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish. a menšího množství heliaHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi.. Tyto primordiální hvězdy bývají označovány jako populace III, nevyskytují se v nich prakticky žádné jiné příměsi jiných prvků, protože taková stavební látka v době jejich zrodu nebyla k dispozici. Z hvězd populace III vznikaly po jejich zániku hvězdy populace II, jejichž metalicitaMetalicita – obsah kovů. V astronomii se tak označují veškeré prvky těžší než vodík a helium. dosahuje zlomků procent. Znamená to, že veškeré další prvky, vyjma vodíku a helia, vznikly při zániku hvězd populace III. Trpasličí dlouhověké hvězdy populace II je dnes ještě možné nalézt poblíž galaktických jader nebo při okraji galaktického haló v kulových hvězdokupáchKulová hvězdokupa – systém obsahující statisíce až miliony hvězd, držený pohromadě gravitací. Hvězdy v kulových hvězdokupách neobsahují prakticky žádné těžší prvky, a jsou proto velmi staré, nezřídka 12 až 13 miliard roků. Vznikly z prvotního plynu – vodíku a hélia v zárodcích budoucích galaxií. Většina kulových hvězdokup, které pozorujeme, je součástí naší Galaxie. Nejsou vázány na plochý podsystém, ale na celé galaktické haló.. Z hvězd populace II pak vznikaly při dalším přerodu hvězdy populace I, které dnes tvoří většinu hvězdných struktur blízkých velkých galaxií. Jejich metalicita dosahuje hodnot zhruba v intervalu 1÷3 %. Do populace I náleží i naše SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium..

Kupa Abell 2597 v rentgenovém oboru na snímku observatoře Chandra z roku 2002.
Zdroj: NASA/Chandra.

Galaxie – kompaktní seskupení hvězd, hvězdných asociací, otevřených a kulových hvězdokup, mezihvězdné látky a temné hmoty. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, aktivní, rádiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je udávána v miliardách až stovkách miliard hmotností Slunce. Galaxie jsou obvykle součástmi vyšších celků, jako jsou kupy, nadkupy, vlákna a stěny. V centrech většiny galaxií se nacházejí obří černé díry. Galaktické jádro – nejvnitřnější část galaxie, zpravidla má podobu centrální výdutě a obsahuje podstatnou část atomární látky galaxie. V mnoha galaxiích je v jádře obří kompaktní objekt, pravděpodobně černá díra. Galaktické haló – oblast obklopující nejnápadnější část galaxie. U spirálních galaxií jde o prostor kulového tvaru opsaný galaktickému disku. Halo je tvořeno řídkou mezihvězdnou látkou a nacházejí se v něm kulové hvězdokupy vázané gravitačně na mateřskou galaxii. Koncentrace látky v halo se snižuje s rostoucí vzdáleností od roviny galaxie a od jejího jádra. Všeobecně uznávaným předpokladem dnes je, že temná látka obklopující galaxie je rozložena také do tvaru halo. Galaktická kupa – největší gravitačně vázané objekty ve vesmíru, z nichž některé dosahují hmotnosti až desetitisícenásobku hmotnosti naší Galaxie. Jsou tvořené třemi hlavními složkami:  – stovkami galaxií obsahujícími hvězdy, plyn a prach,  – obrovskými mraky horkých plynů,  – temnou hmotou zatím neznámé povahy.

Oblasti, v nichž nové hvězdy vznikají, lze v galaxiích, u nichž ještě rozlišíme strukturu, přímo uvidět. Je tedy také možné je detailněji zkoumat a posoudit například polohu, míru či rozlehlost takovýchto hvězdných líhní oproti celkové struktuře. U vzdálenějších objektů je pak nutné se spokojit jen s rozborem a interpretací jejich spektraSpektrum – rozklad elektromagnetického záření (většinou světla) na jednotlivé vlnové délky. Zpravidla se provádí za pomoci hranolu nebo mřížky. Spektrum slunečního světla může také vzniknout na vodních kapkách jako duha. Ve spektru se nachází kontinuum (spojitě se měnící barvy) a charakteristické spektrální čáry. Světlé se nazývají emisní (vznikají emisí fotonů) a tmavé absorpční (vznikají absorpcí fotonů).. O vzniku nových hvězd víme mnohé ze studia hvězdných porodnic v naší Galaxii, popřípadě v sousedních Magellanových oblacích. Astronomové se obvykle pokoušejí srovnávat a přenášet tyto poznatky do vzdálenějších hvězdných ostrovů, které nelze studovat v takových podrobnostech. Hvězdy nevznikají osamoceně, ale v mnohačetných skupinách, které později můžeme pozorovat jako otevřené hvězdokupyOtevřená hvězdokupa – fyzikálně příbuzná skupina hvězd, která drží pohromadě gravitační přitažlivostí a má společný původ. Většina hvězd se vytvořila ze stejné mlhoviny, a tak mají podobné počáteční chemické složení. Otevřená hvězdokupa může mít desítky až desítky tisíc jedinců. Na rozdíl od kulové hvězdokupy zpravidla nevykazuje otevřená hvězdokupa kulové prostorové uspořádání.. Díky mikrovlnné astronomii, a zde zejména díky výjimečné soustavě rádiových teleskopů ALMAALMA – Atacama Large Millimeter Array. Síť 66 radioteleskopů o průměru 12,5 metru, kterou vybudovala Evropská jižní observatoř (ESO) v chilských Andách ve výšce 5100 m nad mořem na planině Llano Chajnantor v blízkosti městečka San Pedro de Atacama. Smlouva o stavbě byla podepsána v roce 2002, se stavbou se započalo na podzim 2003, stavba byla dokončena na konci roku 2012 a dnes je radioteleskopické pole v plném provozu., se už podařilo rozeznat i předhvězdné zárodky nových hvězd v chladných prachových mlhovinách. Jelikož galaxie se vyskytují ve vesmíru obvykle ve velkých skupinách, tzv. kupách galaxiíGalaktická kupa – největší gravitačně vázané objekty ve vesmíru, z nichž některé dosahují hmotnosti až desetitisícenásobku hmotnosti naší Galaxie. Jsou tvořené třemi hlavními složkami:
 – stovkami galaxií obsahujícími hvězdy, plyn a prach,
 – obrovskými mraky horkých plynů,
 – temnou hmotou zatím neznámé povahy., je možné ve větším měřítku hovořit též o vývoji galaktických kup. Zde je možné sledovat závislost množství mezigalaktického plynu na stáří kupy. Velmi zjednodušeně platí, čím starší kupa, tím více plynu je vytaženo z galaxií na periferii do mezigalaktického prostoru, a tím menší množství ho v nich setrvává. Centrální obří galaxie pak oplývají velmi hustými atmosférami a mezigalaktické prostředí v jádru kupy se s časem postupně ohřívá. Vzdálené kupy lze proto odhalit jako oblaka žhavého mezigalaktického plynu zářícího v rentgenovém oboru, i když jednotlivé galaxie jsou na hranici viditelnosti nebo nejsou pozorovatelné vůbec. Otázkou k řešení zůstává, nakolik jsou propojeny děje provázející tvorbu hvězd v jednotlivých galaxiích s událostmi probíhajícími v neporovnatelně větším měřítku v mezigalaktickém plynu.

Snímky kupy Abell 2597 ve viditelném světle, v RTG oboru a v čáře H_α. Nahoře je složenina všech tří spektrálních oken. Kupa Abell 2597 pluje ve vzdálenosti miliardy světelných roků v souhvězdí Vodnáře. V jádru kupy je usazena obří eliptická galaxie typu cD, jejíž galaktická černá veledíra je pravděpodobně určujícím prvkem dějů kolem jádra celé kupy. Snímek ve viditelném světle pochází z HSTHST (Hubble Space Telescope) – Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009., rentgenový záznam je z observatoře ChandraChandra – družicová observatoř NASA zkoumající vesmír v rentgenovém oboru. Byla vypuštěna v roce 1999. Na palubě observatoře je rentgenový dalekohled o průměru 1,2 m a ohniskové vzdálenosti 10,05 m, tvořený čtyřmi soubory souosých paraboloidně-hyperboloidních zrcadel o délce 0,85 m, se zorným polem o průměru 1,0° a s rozlišením 0,5″. a světlo vodíkových atomů zachytil teleskop Waltera Baadeho v Chile. Zdroj: Chandra.

Centrální oblast galaktické kupy Abell 2597 na záznamu z rentgenové observatoře Chandra v rozsahu signálu 0,5÷7 keV. Bílá značí nejvyšší intenzitu signálu, přes oranžovou a červenou až k černé pak intenzita signálu klesá. Zelené kontury značí signál na frekvenci 330 MHz zaznamenaný sítí VLA, modré pak frekvenci 1,3 GHz a černé rádiový signál frekvence 8,4 GHz. Orientace rádiových laloků koresponduje s dutinami v horkém plynu (černé oblasti) zaznamenanými v rentgenové oblasti. Zdroj: ArXiv.

Detailní RTG pohled na centrální část kupy Abell 2597 s vyznačenou dutinou, která je od zdroje rádiových laloků oddělena vrstvou horké látky jevící se zde jako oblouk. Nejpravděpodobněji tento útvar vznikl při rozpínání dutiny a jeho vyšší teplota oproti okolí je důsledkem přeskupení energie v mezigalaktickém plynu. Vlevo je RTG záznam klíčovaný dle intenzity signálu stejně jako na předchozím obrázku, vpravo je teplotní mapa téže oblasti. Červená značí nejteplejší oblasti. Zdroj ArXiv.

Na základě mnohaletých pozorování zhruba dvou stovek galaktických kup včetně Abell 2597 v rentgenovém oboru byl popsán děj označovaný jako vesmírné srážky (cosmic precipitation). Vesmírné srážky jsou sice pojmenovány po vzoru atmosférických dějů, podobně jako déšť, kroupy či sněžení. V případě měřítka galaktické kupy jde ale o mechanizmus, který umožní v prostředí horkého mezigalaktického plynu vzniknout sprškám chladnějších oblaků, které pak pronikají zpět do galaxií. Ukazuje se, že jde o klíčový děj vysvětlující, jak mohou galaktické veledíry přímo ovlivňovat růst galaxií. Ve velkých kupách jsou uprostřed obří galaxie a jejich středu sídlí obří veledíry požírající své bezprostřední okolí, které je současně největším zdrojem energie v oblasti. Centrální galaxie jsou obklopeny hustým a žhavým mezigalaktickým plynem. Díky tomuto prostředí by v jejich nejbližším okolí proto měly být ideální podmínky pro vznik nových hvězd ve skutečně galaktickém měřítku. Chladnutím mezigalaktického plynu pronikajícího do hustších oblastí galaxie by měly nové hvězdy v tomto prostředí kondenzovat jako slivovice v destilační koloně. Podle pozorování ale takto snadno a rychle nové hvězdy nevznikají. Za poměrně dnes již dobře určených podmínek vznikající chuchvalce plynu vyzáří svoji energii a zchladnou, přičemž se promíchávají s okolním horkým plynem, který tím ochlazují. Hvězdy se vytvářejí jen někde a jen z některých plynných shluků. Jiná chladnoucí oblaka jsou, ještě než stihnou zkondenzovat do hvězd, vtažena přímo do jícnu černé veledíry. Pád do díry je provázen výronem vysoce energetických částic, které opět ohřívají nově přilétávající chladnější plyn. Tento proces opětovného chladnutí a ohřívání plynu je při neustálé výměně energie udržován ve zpětnovazebném cyklu, a tedy přímo zabraňuje vytváření hvězd. Galaktická černá veledíra tak, čím je větší, tím více zpomaluje galaktický vývoj ve svém bezprostředním okolí. Typické vesmírné počasí poblíž galaktické veledíry by se dalo popsat jako „oblačno s nadějí na oteplení, když se černé díře zadaří“.

Postupný průhled do kupy Abell 2597 v RTG oboru (světle modrý obraz), viditelném světle (žlutý obraz) a v čáře vodíku H_α. Studiem více než 200 galaktických kup byla rozpoznána závislost galaktického vývoje a vzniku hvězd na dějích probíhajících kolem centrální černé veledíry v největší eliptické, obvykle cD galaxii uprostřed kupy. Čím je veledíra hmotnější, tím pomaleji probíhá galaktický vývoj charakterizovaný vznikem nových hvězd. Zdroj: Chandra. (mp4/h264, 10 MB)

Odkazy