Ziemia, Układ Słoneczny, Droga Mleczna. Czy z czasem stają się coraz bardziej masywne?

Według najbardziej powszechnie akceptowanych modeli kosmologicznych pierwsze galaktyki zaczęły powstawać między 13 a 14 miliardami lat temu. W ciągu następnych miliardów lat pojawiły się kosmiczne struktury, które wszyscy poznaliśmy. Należą do nich między innymi gromady galaktyk, supergromady i włókna, ale także cechy galaktyczne, takie jak gromady kuliste, wybrzuszenia galaktyki i supermasywne czarne dziury (SMBH).

Jednak, podobnie jak żywe organizmy, galaktyki nadal ewoluują. W rzeczywistości w ciągu swojego życia galaktyki cały czas gromadzą i wyrzucają masę. W ostatnich badaniach międzynarodowy zespół astronomów obliczył szybkość napływu i odpływu materiału dla Drogi Mlecznej. Następnie dobrzy ludzie z astrobitów dali mu dobry rozkład i pokazali, jak istotny jest to dla naszego zrozumienia galaktycznej formacji i ewolucji.

Badanie było prowadzone przez astronoma ESA dr Andrew J. Foxa i obejmowało członków z Space Telescope Science Institute's (STScI) The Milky Way Halo Research Group i wielu uniwersytetów. Na podstawie wcześniejszych badań zbadali szybkość, z jaką gaz wpływa i wypływa z Drogi Mlecznej z otaczających chmur dużych prędkości (HVC).

Ponieważ dostępność materiału ma kluczowe znaczenie dla formowania się gwiazd w galaktyce, znajomość tempa ich dodawania i utraty jest ważna dla zrozumienia, jak galaktyki ewoluują w czasie. I jak Michael Foley z astrobitypodsumowując, charakterystyka szybkości dodawania materiału do galaktyk ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia szczegółów tego modelu „fontanny galaktycznej”.

Zgodnie z tym modelem, najbardziej masywne gwiazdy w galaktyce wytwarzają wiatry gwiezdne, które wypychają materiał z dysku galaktyki. Kiedy idą do supernowej pod koniec swojego życia, podobnie wypędzają większość swojego materiału. Materiał ten z czasem zapada się z powrotem w dysk, zapewniając materiał do formowania się nowych gwiazd.

„Procesy te są ogólnie znane jako„ gwiezdne sprzężenie zwrotne ”i są odpowiedzialne za wypychanie gazu z Drogi Mlecznej” - powiedział Foley. „Innymi słowy, Droga Mleczna nie jest odosobnionym jeziorem materialnym; jest to zbiornik, który nieustannie pozyskuje i traci gaz z powodu grawitacji i sprzężenia gwiezdnego. ”

Ponadto ostatnie badania wykazały, że tworzenie gwiazd może być ściśle związane z rozmiarem supermasywnej czarnej dziury (SMBH) w jądrze galaktyki. Zasadniczo SMBH emitują ogromną ilość energii, która może się ogrzać gaz oraz pył otaczający jądro, co uniemożliwia mu skuteczne zlepianie się i zapadanie grawitacyjne w celu utworzenia nowych gwiazd.

W związku z tym szybkość, z jaką materiał wpływa i wypływa z galaktyki, jest kluczem do określenia szybkości powstawania gwiazd. Aby obliczyć szybkość, z jaką to się dzieje dla Drogi Mlecznej, dr Fox i jego koledzy skonsultowali dane z wielu źródeł. Jak dr Fox powiedział Space Magazine pocztą elektroniczną:

„Wydobywaliśmy archiwum. NASA i ESA prowadzą dobrze wyselekcjonowane archiwa wszystkich danych Teleskopu Kosmicznego Hubble'a, a my przeprowadziliśmy wszystkie obserwacje kwazarów tła wykonane za pomocą Cosmic Origins Spectrograph (COS), czułego spektrografu na Hubble'u, którego można użyć do analizy światła ultrafioletowego z odległe źródła. Znaleźliśmy 270 takich kwazarów. Po pierwsze, wykorzystaliśmy te obserwacje do stworzenia katalogu szybko poruszających się chmur gazowych zwanych chmurami dużych prędkości (HVC). Następnie opracowaliśmy metodę podziału HVC na napływające i odpływające populacje, wykorzystując przesunięcie Dopplera. ”

Ponadto ostatnie badania wykazały, że Droga Mleczna przeżywała okres uśpienia około 7 miliardów lat temu - który trwał około 2 miliardów lat. Było to wynikiem fal uderzeniowych, które spowodowały podgrzanie chmur gazu międzygwiezdnego, co tymczasowo spowodowało zatrzymanie przepływu zimnego gazu do naszej galaktyki. Z czasem gaz ostygł i zaczął ponownie napływać, wyzwalając drugą rundę formowania się gwiazd.

Po przejrzeniu wszystkich danych Fox i jego koledzy byli w stanie nałożyć ograniczenia na szybkość napływu i odpływu dla naszej naszej galaktyki:

„Po porównaniu szybkości napływającego i wypływającego gazu stwierdziliśmy nadmiar dopływu, co jest dobrą wiadomością dla przyszłego formowania się gwiazd w naszej Galaktyce, ponieważ istnieje mnóstwo gazu, który można przekształcić w gwiazdy i planety. Zmierzyliśmy około 0,5 mas Słońca rocznie i 0,16 mas Słońca rocznie, więc mamy wpływ netto ”.

Jednak, jak wskazał Foley, uważa się, że HVC żyją przez okres około 100 milionów lat. W rezultacie nie można oczekiwać, że ten napływ netto utrzyma się w nieskończoność. „Wreszcie ignorują HVC, o których wiadomo, że znajdują się w strukturach (takich jak bąbelki Fermi), które nie śledzą napływającego lub wypływającego gazu” - dodaje.

Od 2010 roku astronomowie zdają sobie sprawę z tajemniczych struktur wyłaniających się z centrum naszej galaktyki znanej jako Fermi Bubbles. Te podobne do bąbelków struktury rozciągają się na tysiące lat świetlnych i są uważane za wynik konsumpcji gazu międzygwiazdowego przez SMBH i odbijania promieni gamma.

Tymczasem wyniki zapewniają nowy wgląd w to, jak galaktyki tworzą się i ewoluują. Wspiera również nowy przypadek „akrecji zimnego przepływu”, teorii pierwotnie zaproponowanej przez prof. Avishai Dekela i współpracowników z Instytutu Fizyki Racah w Hebrajskim Uniwersytecie w Jerozolimie, aby wyjaśnić, w jaki sposób galaktyki akceptują gaz z otaczającej przestrzeni podczas ich formowania.

„Wyniki te pokazują, że galaktyki takie jak Droga Mleczna nie ewoluują w stan stabilny”- podsumował dr Fox. „Zamiast tego aklimatyzują się i tracą gaz. Jest to cykl boomu i popiersia: gdy pojawia się gaz, może powstać więcej gwiazd, ale jeśli nadejdzie zbyt dużo gazu, może on wywołać wybuch gwiazdy tak intensywny, że zdmuchnie cały pozostały gaz, odcinając tworzenie gwiazd. Zatem równowaga między dopływem i odpływem reguluje, ile zachodzi formowanie się gwiazd. Nasze nowe wyniki pomagają wyjaśnić ten proces. ”

Innym interesującym wnioskiem z tego badania jest fakt, że to, co dotyczy naszej Drogi Mlecznej, dotyczy również układów gwiezdnych. Na przykład nasz Układ Słoneczny podlega również napływowi i odpływowi materiału w czasie. Obiekty takie jak „Oumuamua i nowsze 2I / Borisov potwierdzają, że asteroidy i komety są wyrzucane z układów gwiezdnych i regularnie odbierane przez innych.

Ale co z gazem i pyłem? Czy nasz Układ Słoneczny i (przez rozszerzenie) planeta Ziemia z czasem tracą na wadze? Co to może znaczyć dla przyszłości naszego systemu i Dom planeta? Na przykład astrofizyk i autor Brian Koberlein zajął się tym ostatnim problemem w 2015 r. Na swojej stronie internetowej. Na przykładzie niedawnego deszczu meteorytów Gemini napisał:

„W rzeczywistości z satelitarnych obserwacji szlaków meteorowych szacuje się, że około 100–300 ton metrycznych (ton) materiału codziennie uderza w Ziemię. To daje około 30 000 do 100 000 ton rocznie. To może wydawać się dużo, ale ponad milion lat, co stanowiłoby zaledwie mniej niż jedną miliardową procenta całkowitej masy Ziemi ”.

Jednak, jak wyjaśnia, Ziemia również regularnie traci masę w wyniku szeregu procesów. Obejmują one rozkład radioaktywny materiału w skorupie ziemskiej, co prowadzi do energii i cząstek subatomowych (alfa, beta i promienie gamma) opuszczające naszą planetę. Druga to atmosferyczny strata, w wyniku której gazy takie jak wodór i hel znikną w kosmosie Łącznie sumują się one do utraty około 110 000 ton roczniemiar.

Z pozoru wydaje się, że to strata netto w wysokości około 10 000 lub więcej ton rocznie. Co więcej, mikrobiolog / komunikator naukowy dr Chris Smith i fizyk z Cambridge Dave Ansell oszacowali w 2012 r., Że Ziemia zdobywa rocznie 40 000 ton pyłu z kosmosu, podczas gdy traci 90 000 ton rocznie w wyniku procesów atmosferycznych i innych.

Możliwe więc, że Ziemia staje się lżejsza w tempie od 10 000 do 50 000 ton rocznie. Jednak szybkość dodawania materiału nie jest w tym momencie dobrze ograniczona, więc możliwe, że możemy się wyłamać (choć prawdopodobieństwo, że Ziemia zyskuje masę, wydaje się mało prawdopodobne). W przypadku naszego Układu Słonecznego sytuacja jest podobna. Z jednej strony międzygwiezdny gaz i pył płynie przez cały czas.

Z drugiej strony nasze Słońce - które stanowi 99,86% masy Układu Słonecznego - z czasem zrzuca masę. Korzystając z danych zebranych przez sondę MESSENGER NASA, zespół badaczy NASA i MIT stwierdził, że Słońce traci masę z powodu wiatru słonecznego i procesów wewnętrznych. Według Ask a astronomer dzieje się to w tempie 1.3245 x 10¹⁵ ton rocznie, chociaż Słońce rozwija się jednocześnie.

To oszałamiająca liczba, ale ponieważ Słońce ma masę około 1,9885 × 10²⁷ tony Tak więc Słońce nie zniknie w najbliższym czasie. Ale gdy traci masę, jego wpływ grawitacyjny na Ziemię i inne planety będzie się zmniejszał. Jednak zanim nasze Słońce osiągnie koniec swojej głównej sekwencji, znacznie się rozszerzy i może bardzo dobrze połknąć Merkurego, Wenus, Ziemię i nawet Mars całkowicie.

Więc chociaż nasza galaktyka może zyskiwać masę w przewidywalnej przyszłości, wygląda na to, że nasze Słońce i sama Ziemia powoli tracą masę. Nie należy tego postrzegać jako złej wiadomości, ale na dłuższą metę ma to implikacje. Tymczasem zachęcanie, by wiedzieć, że nawet najstarsze i najbardziej masywne obiekty we Wszechświecie mogą ulec zmianie, podobnie jak żywe stworzenia.

Niezależnie od tego, czy mówimy o planetach, gwiazdach czy galaktykach, rodzą się, żyją i umierają. W międzyczasie można im ufać, że przytyją lub stracą kilka funtów. Krąg życie, rozgrywane w kosmicznej skali!