Předpokládané sloučení Mléčné dráhy a Andromedy a další osud galaxií v rozpínajícím se vesmíru
Všechny galaxie se v průběhu kosmického času neustále mění: rostou sloučením, postupně se mění vlivem vnitřních procesů a někdy nevyhnutelně směřují ke kolizím s okolními galaxiemi. Mléčná dráha, ve které žijeme, není výjimkou: pohybuje se v prostředí Místní skupiny galaxií (MG) a pozorování ukazují, že se blíží ke kolizi se svým největším satelitem – galaxií Andromedy (M31). Toto impozantní sloučení, nazývané také „Milkomeda“, zásadně změní náš místní vesmír za několik miliard let. I po této události však rychlá expanze vesmíru určí širší historii osamělosti galaxií a jejich konečného osudu. V tomto článku probereme, proč a jak se Mléčná dráha srazí s Andromedou, možné důsledky sloučení pro obě galaxie a širší dlouhodobou budoucnost galaxií v kontextu rozpínajícího se vesmíru.
1. Nadcházející sloučení: Mléčná dráha a Andromeda
1.1 Důkazy o trajektorii kolize
Přesná měření pohybu Andromedy vůči Mléčné dráze ukazují, že je ve stavu modrého posuvu – přibližuje se k nám rychlostí asi 110 km/s. Rané studie radiální rychlosti naznačovaly možnou budoucí kolizi, ale příčný pohyb Andromedy dlouho nebyl jasný. Data z Hubbleova kosmického dalekohledu a pozdější upřesnění (včetně pozorování Gaia) umožnila určit vlastní pohyb Andromedy, čímž potvrdila, že přibližně za 4–5 miliard let by měla narazit do naší Mléčné dráhy [1,2].
1.2 Kontext Místní skupiny galaxií
Andromeda (M31) a Mléčná dráha jsou dvě největší galaxie v Místní skupině galaxií – malém shluku galaxií o průměru přibližně 3 miliony světelných let. Galaxie Trojúhelníku (M33), která obíhá nedaleko Andromedy, může být také zahrnuta do budoucí kolize. Různé trpasličí galaxie (např. Magellanova mračna, další satelity) rozmístěné na okrajích Místní skupiny mohou také zažít slapové poruchy nebo se stát satelity spojeného systému.
1.3 Časové období a dynamika srážky
Simulace ukazují, že první srážka Andromedy a Mléčné dráhy nastane přibližně za 4–5 mld. let, možná s několika blízkými průlety před konečnou koalescencí za ~6–7 mld. let v budoucnosti. Během těchto přiblížení:
- Přílivové síly natáhnou diskovou strukturu, mohou vzniknout přílivové ocasy nebo prstencové útvary.
- Hvězdotvorba se krátce zintenzivní v oblastech, kde se překrývají plynné zásoby.
- „Krmivo“ černých děr může zesílit v jaderných oblastech, pokud plyn proudí do středu.
Nakonec se tyto galaxie pravděpodobně sloučí do masivní eliptické nebo čočkovité galaxie nazývané „Milkomeda“, kde se spojí hvězdy obou spirál [3].
2. Možný výsledek sloučení „Milkomedy“
2.1 Eliptický nebo masivní sferoidní pozůstatek
Hlavní sloučení, zejména dvou spirál podobné hmotnosti, obvykle zničí diskové struktury a vytvoří tlakem podporovaný sferoid typický pro eliptické galaxie. Konečný vzhled „Milkomedy“ pravděpodobně závisí na:
- Geometrie orbit – pokud je interakce centrálně symetrická, může vzniknout typická eliptická struktura.
- Zbývající množství plynů – pokud zůstanou nevyužité nebo nevyfouknuté plyny, může vzniknout čočkovitá (S0) galaxie s malou diskovou nebo prstencovou strukturou.
- Halo temné hmoty – společné halo Mléčné dráhy a Andromedy vytvoří gravitační prostředí, které určí, jak se hvězdy přerozdělí.
Modely zkoumající spirály s velkým množstvím plynů ukazují silné hvězdotvorné výbuchy při sloučeních, ale po 4–5 mld. let budou zásoby plynů v Mléčné dráze skromnější, takže během sloučení může být hvězdotvorba méně intenzivní než v raném vesmíru [4].
2.2 Centrální interakce SMJS
Černá díra Mléčné dráhy (Sgr A*) a větší černá díra Andromedy se mohou nakonec sloučit vlivem dynamického tření. V posledních okamžicích sloučení by mohly být vyzařovány silné gravitační vlny (i když ne tak intenzivní na kosmologickém měřítku jako v jiných hmotnějších nebo vzdálenějších systémech). Sloučené černé díry zůstanou v centru nové eliptické galaxie, možná nějaký čas zářící jako AGN, pokud bude dostatek plynů.
2.3 Osud Sluneční soustavy
Během sloučení bude Slunci přibližně stejně let jako nyní – vesmíru, který se blíží ke konci pozdního spalování vodíku. Jas Slunce vzroste, což učiní Zemi nepříznivou pro život, navzdory galaktickému srážce. Dynamicky pravděpodobně Sluneční soustava zůstane obíhat v centru nové galaxie (nebo dále na okraji halového oblaku), ale je málo pravděpodobné, že bude vyhozena nebo pohlcena černou dírou [5].
3. Vývoj dalších galaxií Místní skupiny a trpasličích satelitů
3.1 Trojúhelníková galaxie (M33)
M33, třetí největší spirální galaxie VG, obíhá kolem Andromedy a mohla by být zapojena do procesu „Milkomedy“. V závislosti na dráze se M33 může později sloučit s již spojeným systémem Andromeda–Mléčná dráha nebo být rozrušena slapovými silami. Tato galaxie má poměrně hodně plynů, takže její konečné sloučení by mohlo vyvolat pozdější zvýšení tvorby hvězd v celém systému.
3.2 Interakce trpasličích satelitů
VG má desítky trpasličích galaxií (např. Magellanova mračna, Trpasličí Šíp, atd.). Některé z nich mohou být během nadcházejících sloučení rozrušeny nebo začleněny do shluku „Milkomedy“. Během miliard let může mnoho malých sloučení dále zvětšit hvězdné haló, zhušťujíc konečný systém. Tak pokračuje hierarchická interakce i po hlavní koalescenci spirál.
4. Kontext dalšího rozpínání vesmíru
4.1 Zrychlující expanze a galaktické oddělení
Po vzniku „Milkomedy“ znamená rychlé rozpínání vesmíru poháněné temnou energií, že galaxie, které nejsou gravitačně vázány, se vzdalují a nakonec s nimi nebude možné navázat kauzální spojení. Po desítkách miliard let zůstane gravitačně vázána pouze Místní skupina (nebo její pozůstatek), zatímco všechny vzdálenější shluky se vzdálí rychleji, než světlo stihne dorazit. Nakonec se „Milkomeda“ a její satelity stanou „ostrovním vesmírem“, odděleným od ostatních shluků [6].
4.2 Vyčerpání tvorby hvězd
S ubíhajícím kosmickým časem budou zásoby plynů ubývat. Sloučení a zpětná vazba mohou zahřát nebo odstranit zbývající plyny, a množství nově přitékajících plynů z kosmických vláken v pozdní epoše klesá. Po stovkách miliard let téměř ustane tvorba hvězd, zůstane převážně staré červené hvězdy. Konečná eliptická galaxie pohasne, bude v ní dominovat jen slabé červené hvězdy, bílé trpaslíky, neutronové hvězdy a černé díry.
4.3 Dominance černých děr a pozůstatků
Po trilionech let může být mnoho hvězd vlivem gravitačních interakcí vyvrženo z haló Milkomedy. Mezitím SMJS zůstane v jádru galaxie. Nakonec mohou být černé díry jedinými významnými hmotnostními koncentracemi v tomto pustém kosmickém pozadí. Hawkingovo záření by během neuvěřitelně dlouhých období mohlo odpařit i černé díry, ale to už leží daleko za běžnými astrofyzikálními epochami [9, 10].
5. Pozorovací a teoretické analýzy
5.1 Sledování pohybu Andromedy
Hablo kosminí teleskop podrobně měřil rychlosti Andromedy, potvrzujíc trajektorii srážky s malou boční složkou. Další data z Gaia ještě více zpřesňují oběžné dráhy Andromedy a M33, což umožňuje lépe určit geometrii přiblížení [7]. Budoucí kosmické astrometrické mise mohou přesněji určit první čas srážky.
5.2 N-tělové simulace Místní skupiny
Modely vytvořené v NASA Goddardově kosmickém centru a jinde ukazují, že přibližně za 4–5 miliard let začne první srážka, po níž M31 a Pás mohou několikrát těsně minout. Nakonec se spojí během několika stovek milionů let a vytvoří obrovskou eliptickou galaxii. Simulace zkoumají také účast M33, zanechané přílivové ocasy a jaderné hvězdotvorné výbuchy [8].
5.3 Osud vzdálených klastrů mimo Místní skupinu
Kvůli kosmické akceleraci se vzdálené klastry od nás oddělují – časem překročí naše hranice viditelnosti. Pozorování supernov s vysokým rudým posuvem ukazují, že temná energie dominuje rozpínání vesmíru, takže galaktická síť se ve větším měřítku rozdělí na izolované "ostrovy". Takže i když se lokálně galaxie spojí, širší kosmická struktura se vzdaluje a slábne v našem zorném poli.
6. Vzdálená kosmická budoucnost
6.1 "Degenerovaná" éra vesmíru
Poté, co hvězdotvorba vyhasne, galaxie (nebo spojené systémy) postupně přecházejí do "degenerované éry", kde hlavním zdrojem hmoty populace jsou pozůstatky hvězd (bílí trpaslíci, neutronové hvězdy, černé díry). Občasné náhodné srážky hnědých trpaslíků nebo hvězdných zbytků mohou krátkodobě oživit hvězdotvorbu, ale vesmír je v průměru výrazně utlumený.
6.2 Konečné panování černých děr
Po stovkách bilionů let mohou gravitační interakce vyhodit mnoho hvězd z halo galaxie, zatímco největší černé díry zůstanou v centrech. Nakonec mohou být jediným významným rezervoárem hmoty v osamělém vesmíru. Hawkingovo záření může během nepředstavitelně dlouhých časů tyto černé díry dokonce odpařit, i když to dalece přesahuje běžné astrofyzikální epochy [9, 10].
6.3 Dědictví Místní skupiny
"V temném věku" bude Milkomeda pravděpodobně jedinou masivní eliptickou strukturou, která bude obsahovat pozůstatky hvězd z Pásu, Andromedy, M33 a trpasličích galaxií. Pokud budou další galaxie/klastry za naším kosmologickým horizontem viditelnosti, lokálně zůstane tento spojený ostrov, který pomalu klesá do kosmické tmy.
7. Závěry
Pás a Andromeda nevyhnutelně směřují ke spojení galaxií – jevu, který způsobí obrovskou změnu v centru Místní skupiny. Přibližně za 4–5 miliard let tyto dvě spirální galaxie začnou interagovat přílivovými deformacemi, vlnami hvězdotvorby a "krmením" černých děr, až se nakonec spojí do jedné masivní eliptické – "Milkomedy". Menší galaxie, jako M33, mohou být do tohoto spojení zahrnuty a trpasličí satelity budou přílivově rozrušeny nebo integrovány.
Při dalším pohledu vpřed oddělení expanze vesmíru tento nový útvar od zbytku struktur, uzavírajíc jej do samoty, kde tvorba hvězd postupně vyhasne. Během desítek či stovek miliard let zůstanou pouze stárnoucí hvězdy, až nakonec budou dominovat pouze černé díry a pozůstatky hvězd. Nicméně v příštích několika miliardách let zůstane náš kosmický kout poměrně živý a blížící se kolize s Andromedou se stane poslední velkolepou událostí shromažďování galaxií v Místní skupině.
Odkazy a další čtení
- van der Marel, R. P., et al. (2012). „Vektor rychlosti M31. III. Budoucí orbitální vývoj Mléčné dráhy–M31–M33, sloučení a osud Slunce.“ The Astrophysical Journal, 753, 9.
- van der Marel, R. P., & Guhathakurta, P. (2008). „Příčná rychlost M31 a hmotnost Místní skupiny z kinematiky satelitů.“ The Astrophysical Journal, 678, 187–199.
- Cox, T. J., & Loeb, A. (2008). „Srážka mezi Mléčnou dráhou a Andromedou.“ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 461–474.
- Hopkins, P. F., et al. (2008). „Jednotný model vzniku hvězdných záblesků, kvazarů a sfér založený na sloučení.“ The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
- Sackmann, I.-J., & Boothroyd, A. I. (2003). „Naše Slunce. III. Současnost a budoucnost.“ The Astrophysical Journal, 583, 1024–1039.
- Riess, A. G., et al. (1998). „Pozorovací důkazy ze supernov pro zrychlující se vesmír a kosmologickou konstantu.“ The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
- Gaia Collaboration (2018). „Gaia Data Release 2. Observační Hertzsprung–Russellovy diagramy.“ Astronomy & Astrophysics, 616, A1.
- Kallivayalil, N., et al. (2013). „Třetí epocha vlastních pohybů Magellanových mračen. III. Kinematická historie Magellanových mračen a osud Magellanova proudu.“ The Astrophysical Journal, 764, 161.
- Adams, F. C., & Laughlin, G. (1997). „Umírající vesmír: Dlouhodobý osud a vývoj astrofyzikálních objektů.“ Reviews of Modern Physics, 69, 337–372.
- Hawking, S. W. (1975). „Tvorba částic černými dírami.“ Communications in Mathematical Physics, 43, 199–220.