Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeret

Ősgalaxis

TartalomjegyzékhezVilágképem <  Sugárzás-időszak     

SDSS – a nagy vöröseltolódású objektumok feltérképezése 1999-ben indult a Sloan Alapítvány által támogatott digitális ég-térképezési program (SDSS), amely az égbolt egynegyedéről készít térképet. A programban több mint egymillió galaxis vöröseltolódását határozzák meg. Az eredményül kapott térképen kirajzolódik a szuperhalmazok eloszlása, az Univerzum nagyléptékű szerkezete. Az SDSS keretében figyelték meg az eddigi legnagyobb vöröseltolódású objektumot, egy ún. kvazárt (olyan kompakt galaxismag, melyben nagyenergiájú folyamatok zajlanak), amelynek eltolódása z=6,4.

Az eddig mért legnagyobb vöröseltolódás A nyíllal megjelölt kvazár

(hiperaktív kompakt galaxismag) az eddig észlelt legtávolabbi objektum.

A z=6,4 érték azt jelenti, hogy a kvazárból hozzánk érkező fénysugár

akkor indult útjára, amikor az Univerzum csupán 800 millió éves volt.

Ha az egy irányba eső galaxisokat a vöröseltolódásuk mértéke szerint rendezzük, kirajzolódik az égbolt háromdimenziós galaxistérképe . Az Univerzum nagyléptékű mélységi szerkezete a szuperhalmazok által kirajzolt széles lepleket és szálas szerkezeteket mutat, melyeket hatalmas buborékszerű üregek választanak el egymástól.

A galaxistérképek értelmezését számítógépes szimulációk segítségével végzik. E vizsgálatokból az is kiderül, hogy az Univerzum teljes energiájának mekkora hányadát hordozza a szokásos gravitáló és mekkora hányadát az „antigravitáló” (pontosabban gravitációsan nem csomósodó) anyagfajta. A jó egyezéshez közel 70%-os részesedésű, gravitációsan össze nem tömörödő, fényt ki nem bocsátó ú.n. sötét energia jelenlétét kell feltételezni. Az Univerzum jelenlegi állapotában tehát csupán 30% a newtoni tömegvonzást követő anyag részesedése. Ez a becslés a gyorsulva táguló Univerzum elképzeléssel is összhangba hozható. (Érdemes itt egy megjegyzést tenni: a későbbiekben látni fogjuk, hogy a gravitáló anyag tovább osztható világító és sötét anyagra, mely utóbbi nem keverendő össze a sötét energiával.)

Szimulációs univerzumfejlesztés

A megfigyelt anyageloszlás kialakulását a kozmológiával foglalkozó kutatók számítógépes modellek segítségével próbálják értelmezni. Az ú.n. N-test szimulációban a galaxisokat pontszerű részecskék helyettesítik, melyek mozgását a Newton-törvények irányítják. Ezzel a módszerrel akár több millió galaxis mozgását is modellezni tudják. Kiindulásul a legtávolabbi objektumoknak megfelelő eloszlást választják (tehát az Univerzum megfigyelhető legkorábbi állapotát), ezután – az Univerzum tágulási mozgásának figyelembevételével – a modellt fejlesztve kirajzolható a galaxisok eloszlása. A gyorsuló vagy a lassuló tágulásra kirajzolódó térképek közül a megfigyelésekkel összehasonlítva kiválasztható a valóságot legjobban közelítő modell univerzum.

Az Univerzum szimulált képe A szimulációs képen az Univerzum világító anyagának (galaxisokból,

kvazárokból és gázfelhőkből álló elegy) eloszlása látható egy 250 millió fényév méretű dobozban.

Az ENZO nevű szimulációs program egy 512 összekapcsolt processzorból álló szuperszámítógépen

130 órán keresztül futott, míg előállította a több mint egymilliárd tömegpontból álló látható és sötét

anyagot tartalmazó univerzummodell képét. A szimuláció a Big Bang után 30 millió évvel indulva

az Univerzum 1,3 milliárd éves korához tartozó anyageloszlás modelljét mutatja.

Ősgalaxisok a korai Univerzumban

George Gamow (1904-1968) orosz származású amerikai fizikus mutatott rá először az 1940-es években, hogy az Univerzum tágulási szakaszain időben visszafelé haladva a tér egyre kisebb, miközben a hőmérséklet a fizika törvényei szerint egyre nő, éppen úgy, ahogy az összenyomott gáz is felmelegszik. A forró Univerzumban minden szilárd anyag megolvad, majd elpárolog. Visszajutunk abba a korba, amikor az anyag legegyszerűbb molekuláiból álló gázkeverék többé-kevésbé egyenletesen töltötte ki a Világegyetemet. A magas hőmérséklet okozta hőmozgás sikeresen áll ellen a gravitáció csomósító hatásának. Abban az időszakban, amikor az első struktúrák csomósodni kezdtek, az Univerzum mérete huszada vagy legfeljebb tizede volt a mainak. Ez nagyjából 12-13 milliárd évvel ezelőtt következett be. Az ősgalaxisoknak nevezhető első anyagcsomók azonban egészen más képet mutattak, mint viszonylag fiatal társaik, hiszen a csillagokat fűtő nukleáris reakciók ebben a viszonylag egyenletes eloszlású gázban még nem indulhattak be. A korai Univerzumban a csillagokat megelőző időszakban sötétség honolt.

A sötét anyag

Az előzőekben láttuk, hogy az Univerzum teljes anyagának csupán 30%-a szokásos módon gravitáló anyag. Ebből az anyagfajtából épülnek fel a csillagok, vagy éppen az emberi test. Egyes csillagászati megfigyelések azonban azt sugallják, hogy a gravitáló anyagnak van egy nem világító, sötét része.

A galaxishalmazokat felépítő galaxisok ugyanolyan gravitációsan kötött rendszert alkotnak, mint a Naprendszer bolygói. A halmaz egésze a Hubble-törvényt követve együtt sodródik a táguló Univerzumban, de az egyes tagok közötti tömegvonzás következtében a galaxisok különböző pályákon keringenek is egymás körül.

A galaxishalmaz teljes tömegét több független módszerrel is meg lehet becsülni, melyekből kiderül, hogy a galaxishalmaz össztömegének csak mintegy 4–5%-át jelentik a galaxisok és további 10–15%-ot tesz ki a galaxisok közti teret kitöltő forró gáz. A fennmaradó, ismeretlen anyaghányadot sötét anyagnak hívjuk.

A nem világító anyag egy része úgynevezett barna törpe. Ezek olyan kis tömegű csillagkezdemények, amelyek belseje nem elegendően sűrű és forró ahhoz, hogy a fúziós energiatermelés beindulhasson, tehát kicsik és sötétek, amire elnevezésük is utal. A Tejútrendszerben végzett megfigyelések szerint a barna törpék járuléka a sötét anyag egészéhez képest elhanyagolhatóan csekély.

A sötét anyag meghatározó komponense mindeddig ismeretlen. A barna törpék mellett magyarázatként szóba jöhet még néhány egzotikus, sötét csillagászati objektum (pl. a csillagfejlődés lehetséges végállapotát jelentő fekete lyukak ), azonban a hiányzó sötét anyag problémáját várhatóan az elemi részek fizikája oldja majd meg.

A bennünket is alkotó világító anyag tehát csupán néhány százaléka az Univerzum teljes anyagának. Nehéz elfogadni, hogy mindaz, amit az emberi tudomány az Univerzum anyagából mindmáig képes volt megragadni, ennyire jelentéktelen

----------------

A galaxisok összeolvadása nem rendkívüli esemény: számos ilyen kölcsönható rendszer ismert a csillagászok előtt. Az is régóta ismert tény, hogy a hatalmas elliptikus galaxisok is kisebb törpegalaxisok, illetve nagyobb rendszerek fokozatos összeolvadása során jöttek létre. Azonban ilyen rendszereket általában több milliárd fényév távolságban, azaz több milliárd évvel ezelőtti állapotukban látunk a Földről. Ahogyan pedig egy több millió évvel ezelőtt kihaltnak gondolt dinoszaurusz élő példányának felfedezése is meglepetést okozna, meglepő volt egy viszonylag közeli, még nagyobb galaxissá össze nem állt, törpegalaxis-halmaz felfedezése kozmikus környezetünkben.

Éppen ilyen a kanadai Paul Hickson csillagász által lajstromba vett mintegy 100 kompakt galaxishalmaz egyike, a nemrégiben megvizsgált Hickson 31. A halmaz viszonylag közel, alig 166 millió fényévnyire helyezkedik el. Sahat Gallagher (University of Western Ontario, London, Ontario) és kutatócsoportja többek között a Hubble űrtávcső segítségével vizsgálta meg a Hickson 31 halmazát. A kutatásokhoz emellett felhasználták a NASA infravörös tartományban működő Spitzer űrtávcsövének, illetve az ultraibolya tartományban üzemelő GALEX (Galaxy Evolution Explorer) és a NASA Swift űrteleszkópjának adatait is.

A kutatók részleteiben tanulmányozhatták a közeli halmaz tagjait, és a törpegalaxisok belső szerkezetét. A rendszer legfényesebb objektuma két, éppen ütköző törpegalaxis. A megfigyelések szerint a rendszerek néhány ősi gömbhalmazában akár 10 milliárd éves csillagok is megtalálhatók, így nyilvánvaló, hogy ezek a törpegalaxisok már ősidők óta léteznek. Ugyanakkor bármerre is tekintettek a kutatók ezekben a galaxisokban, igen fiatal csillagok halmazait és csillagkeletkezési régiókat találtak. A teljes rendszer igen gazdagnak bizonyult hidrogéngázban, ami szintén ideális körülmény új csillagok keletkezéséhez. A legfényesebb és legfiatalabb halmazok tanulmányozásához a Hubble ACS (Advanced Camera for Surveys) kameráját használták fel. Az adatok szerint a legfényesebb csillaghalmazokban legalább 100 ezer, 10 millió évnél is fiatalabb csillag található, amelyek roppant mennyiségű gázanyagból táplálkozhatnak.

Még óriási mennyiségű hidrogéngáz áll rendelkezésre, ami arra mutat, hogy az ütközések során beinduló heves csillagkeletkezési folyamatok is csak nemrégiben kezdődhettek el. Érdekesség, hogy a teljes galaxishalmazban mintegy ötször annyi hidrogéngáz található, mint saját Galaxisunkban. Emellett az eredmények segítségével a halmazok keletkezésének körülményei vizsgálhatók, illetve a halmazok kora is meghatározható. Láthatóvá vált, hogy a galaxisok a hatalmas rendszerré váló összeállás utolsó fázisa előtt állnak. Négy törpegalaxis egymástól alig 75000 fényévre helyezkedik el, ami azt jelenti, hogy kényelmesen elférnének saját Tejútrendszerünk határain belül.

Az összeolvadó galaxishalmaz részlete. Jól megfigyelhetők

az árapályerők által eltorzított alakú törpegalaxisok, melyekben

a fényes területek intenzív csillagkeletkezési tartományokat jeleznek

A csak nemrégiben beindult összeolvadási folyamatra mutat az is, hogy a rendszerben a galaxisok mozgási sebessége is igen alacsony, átlagosan alig 60 kilométer másodpercenként (összehasonlításképpen saját Földünk mintegy 30 km/s sebességgel kering, Naprendszerünk pedig mintegy 240 km/s sebességgel száguld a Tejútrendszeren belül). Ilyen sebesség mellett a galaxisok minden bizonnyal egyetlen hatalmas elliptikus rendszerré olvadnak össze a következő egymilliárd év alatt.

Érdekes kérdés, hogy vajon miért tartott ezeknek a törpegalaxisoknak ilyen hosszú ideig, míg megindulhatott az összeolvadási folyamat, miközben a belátható Univerzumban a megfigyelések szerint hasonló összeolvadási események sok évmilliárddal ezelőtt zajlottak le. Lehetséges, hogy egyszerűen a Világegyetem egy ritkább részében keletkeztek, így több milliárd évre volt szükség csak ahhoz, hogy egymás közelébe kerüljenek, ami sokszorosa is lehet az Univerzum sűrűbb részeiben ehhez szükséges értéknek. Azonban az biztos, hogy ez a közeli halmaz kitűnő alkalmat biztosít az univerzum életének korábbi szakaszában fontos folyamatok pontosabb vizsgálatához.

--------------

A NASA által üzemeltetett Hubble űrteleszkóp egyik legfrissebb felvételén a korai univerzum eddig fel nem fedett mélységei tanulmányozhatók a közeli infravörös tartományban.

A felvételt ugyanarról a területről készítették, amelyről 2004-ben a Hubble az addigi legnagyobb határfényességű képet, a Hubble Ultra Deep Fieldet rögzítette. Jelen esetben fontos különbség, hogy a nemrégiben beépített WFC3 (Wide Field Camera 3) berendezést használták, amely elődjénél jóval érzékenyebb a közeli infravörös tartományban is. Ennek köszönhetően mélyebbre és így a távolabbi múltba tekinthet vissza, hiszen a tőlünk roppant messzeségben levő galaxisok fénye a távolságnak megfelelő nagy vöröseltolódás miatt az ultraibolya és látható tartományból már az infravörös tartományba csúszott át.

A felvételen a nagyon fiatal univerzum objektumai tanulmányozhatók, amelyek közül

a leghalványabbak és legvörösebbek alig 600 millió évvel az ősrobbanás után alakultak ki.

Ilyen távoli múltban eddig nem sikerült galaxisokat felfedezni. A hasonló megfigyelések

bepillantást engednek a tejútrendszerek fejlődésébe a nagyon korai univerzumban.

A bemutatott felvételt 2009 augusztusában készítették, egy négynapos időszak alatt, összesen 173000 másodperc (azaz két teljes nap) expozíciós idővel. Az infravörös tartományban észlelhető sugárzás már kívül esik az emberi szem számára látható hullámhosszakon, így hagyományos értelemben nincs színe. A kutatók a különböző hullámhosszakhoz különböző színeket rendelve tették látványosabbá a felvételt, amelyen megőrizték a látható színek esetében is megfigyelhető törvényszerűséget, azaz a kékebb színhez rövidebb hullámhossz tartozik. A felvételen a leghalványabb objektumok körülbelül egymilliárdszor halványabbak, mint a szabad szemmel éppen érzékelhető források.

A felvételt készítő HUDF09 csapat az elkészült képet szabadon hozzáférhetővé tette a világ csillagászai számára, ennek köszönhetően alig három hónap alatt máris 12 tudományos publikáció látott napvilágot, amelyek a csoport adatait használták fel.

A Hubble utódja, a James Webb űrtávcső elődjénél még mélyebbre pillanthat majd a korai univerzumba az infravörös hullámhosszakon. Az új műszer felbocsátása a jelenlegi tervek szerint 2014-ben várható.

-------------

A korai univerzumban megfigyelhető, kis térrészben rengeteg csillagot magukba gyűjtő galaxisok rövid idő alatt alakulhattak át a ma megfigyelhető, jóval nagyobb rendszerekké, írta meg a Hírek.csillagászat.hu.

Ez év áprilisában jelentették be csillagászok olyan rendkívül kompakt, ősi galaxisok felfedezését, amelyek mintegy 10 milliárd évvel ezelőtt léteztek, amikor a világegyetem alig 3,7 milliárd éves volt. A vizsgálatok szerint ezekben a rendszerekben ugyanannyi csillag volt, mint a mai hatalmas, elliptikus galaxisokban, viszont ezek a korai objektumok kétszer-háromszor kisebb méretűek voltak. Ezt követően körülbelül 1 milliárd évvel későbbi korokból (az univerzum 5 milliárd éves korszakából) is sikerült hasonló ősgalaxisokat találni, amelyek némelyikének mérete alig tizede a hasonló mennyiségű anyagot tartalmazó mai elliptikus galaxisokénak.

Hasonló rendszerek nem figyelhetők meg környezetünkben, vagyis a mai világegyetemben. Így adódik a feltételezés, hogy valamilyen folyamat révén ezek a valaha nagyon sűrű, kompakt rendszerek a ma is észlelhető, jóval nagyobb kiterjedésű galaxisokká formálódtak át anélkül, hogy bennük intenzív csillagkeletkezés indult volna be. Egy ilyen folyamatot leíró modellt azonban igen nehéz kidolgozni, főképpen azért, mert az eseményeknek csillagászati léptéken nagyon gyorsan kellett lezajlania.

Ivana Damjanov (University of Toronto) és kutatócsoportja a világegyetem különböző korszakaiban megfigyelhető galaxisokat tanulmányozták. Eredményeik szerint a kompakt rendszerek alig 1,6 milliárd alatt eltűntek az univerzumból.

Az egyik lehetőség, hogy a galaxisok egymással történő ütközések és összeolvadások révén növekedtek. Ez a modell azonban új csillagok keletkezését is jelentené, mivel az összeolvadások során ütköző, galaxisokon belüli gázfelhők sűrűsödésnek indulnak, ami csillagok keletkezéséhez vezet. Ezzel szemben sem az ősi, sem pedig a mai elliptikus galaxisokban nincsenek fiatal csillagok.

Az elmélet továbbfejlesztett, „száraz” verziójában az összeolvadás során a csillagkeletkezési régiók megszűnnek a galaxisokban. Azonban még a finomított modellekben is valamelyest növekednie kellene a csillagok számának és ezzel együtt a megfigyelhető világító anyag tömegének. Ezzel szemben a megfigyelések szerint az ősi kompakt, és a mai elliptikus rendszerekben megfigyelhető világító anyag tömege közelítőleg megegyezik. Emellett statisztikai megfontolások arra mutatnak, hogy néhány kompakt galaxis túlélhette volna a korszakot ütközések és összeolvadások nélkül, így a mai napig megfigyelhetők maradhattak volna. Ezzel szemben egyetlen hasonló rendszert sem ismerünk kozmikus környezetünkben.

Másik lehetőség, hogy a galaxisok anyagának egy része újra elosztódik, amikor a nagy tömegű csillagok életük vége felé jelentős mennyiségű anyagot veszítenek, illetve szupernóvaként felrobbannak, külső rétegeiket levetik magukról. A folyamatok során a galaxis széle felé kilövellt anyagmennyiség csökkentheti a galaxisban uralkodó, a középpont felé irányuló gravitációs vonzást, így a rendszer tágulni kezdhet. Bár a csillagok túlnyomó része ezekben a rendszerekben valóban idős objektum, a folyamat túlságosan hosszú ideig tartana.

Jelenleg egyetlen modell sem felel meg tehát teljes mértékben minden megfigyelési ténynek. A jelenségért valószínűleg több hatás együttese felelős, de a folyamat pontos leírásához további vizsgálatok szükségesek. Az eddigi eredményeket részletező publikáció az Astrophysical Journal c. folyóirathoz lett közésre beküldve, jelenleg elbírálás alatt áll.

Két napos expozícióval sosem látott galaxisokat sikerült megörökíteni 13 milliárd fényév távolságban. felhívás A NASA által üzemeltetett Hubble Űrteleszkóp egyik legfrissebb felvételén a korai Univerzum eddig fel nem fedett mélységei tanulmányozhatók a közeli infravörös tartományban. A felvételt ugyanarról a területről készítették, amelyről 2004-ben a Hubble az addigi legnagyobb határfényességű mélyképet (deep field), a Hubble Ultra Deep Field-et rögzítette. Jelen esetben fontos különbség, hogy a nemrégiben beépített WFC3 (Wide Field Camera 3) berendezést használták fel, amely elődjénél jóval érzékenyebb a közeli infravörös tartományban is. Ennek köszönhetően mélyebbre és így a távolabbi múltba tekinthet vissza, hiszen a tőlünk roppant messzeségben levő galaxisok fénye a roppant távolságnak megfelelő nagy vöröseltolódás miatt az ultraibolya és látható tartományból már az infravörös tartományba csúszott át.

TartalomjegyzékhezVilágképem <  Sugárzás-időszak     

---------------------

http://index.hu/tudomany/urkutatas/2010/03/04/osgalaxisok_a_szomszedban

/http://index.hu/tudomany/urkutatas/2009/12/11/pislakolo_osgalaxisokat_fotozott_a_hubble

/http://index.hu/tudomany/urkutatas/flvt080828/

http://hirek.csillagaszat.hu/korai_vilagegyetem/20091211-hubble-deepsky.html

http://www.konkoly.hu/~kovari/CSILLAGASZAT/tananyag/CSILLAGASZAT/03_03.html