Forventet sammenslåing av Melkeveien og Andromeda og den videre skjebnen til galakser i et ekspanderende univers
Alle galakser endres kontinuerlig over kosmisk tid: de vokser gjennom sammenslåinger, endres gradvis av interne prosesser, og nærmer seg noen ganger uunngåelig kollisjoner med nabogalakser. Melkeveien, som vi bor i, er ikke noe unntak: den beveger seg i Den Lokale Galaksegruppen (LG), og observasjoner viser at den beveger seg mot en kollisjon med sin største satellitt – Andromedagalaksen (M31). Denne imponerende sammenslåingen, også kalt «Milkomeda», vil fundamentalt endre vårt lokale kosmos om noen milliarder år. Men selv etter denne hendelsen vil den raske utvidelsen av universet føre til en bredere historie om galakseisolasjon og endelig skjebne. I denne artikkelen diskuterer vi hvorfor og hvordan Melkeveien vil kollidere med Andromeda, mulige konsekvenser av sammenslåingen for begge galakser, og den bredere langsiktige fremtiden for galakser i et univers i ekspansjon.
1. Den kommende sammenslåingen: Melkeveien og Andromeda
1.1 Bevis for kollisjonens bane
Nøyaktige målinger av Andromedas bevegelse i forhold til Melkeveien viser at den er i en blåforskyvnings tilstand – den nærmer seg oss med omtrent 110 km/s. Tidlige radialhastighetsstudier antydet en mulig fremtidig kollisjon, men Andromedas tverrgående hastighet var lenge uklar. Data fra Hubble-romteleskopet og senere presiseringer (inkludert Gaia-observasjoner) har gjort det mulig å fastslå Andromedas egenbevegelse, og bekrefter at den om omtrent 4–5 milliarder år vil kollidere med vår Melkevei [1,2].
1.2 Kontekst for Den Lokale Galaksegruppen
Andromeda (M31) og Melkeveien er de to største galaksene i Den Lokale Galaksegruppen – en liten samling galakser med en diameter på omtrent 3 millioner lysår. Triangelgalaksen (M33), som beveger seg nær Andromeda, kan også bli en del av den kommende kollisjonen. Ulike dverggalakser (f.eks. Magellanske skyer, andre satellitter) som ligger i utkanten av LG kan også oppleve tidevannspåvirkninger eller bli satellitter i det sammenslåtte systemet.
1.3 Perioder og kollisjonsdynamikk
Simuleringer viser at det første møtet mellom Andromeda og Melkeveien vil skje om omtrent 4–5 mrd. år, muligens med flere nære passeringer før den endelige koalescensen rundt 6–7 mrd. år i fremtiden. Under disse tilnærmingene:
- Tidvannskrefter vil strekke ut skivestrukturen, og tidvannshaler eller ringformede strukturer kan oppstå.
- Stjernedannelse vil kortvarig intensiveres i regioner hvor gassansamlinger overlapper.
- «Mating» av sorte hull kan forsterkes i kjerneområdene hvis gass strømmer mot sentrum.
Til slutt vil disse galaksene sannsynligvis sammensmelte til en massiv elliptisk eller linseformet galakse kalt «Milkomeda», hvor stjernene fra begge spiralene vil smelte sammen [3].
2. Mulig resultat av «Milkomedas» sammenslåing
2.1 Elliptisk eller massiv sfæroid rest
Hovedsakelige sammenslåinger, spesielt mellom to spiralgalakser med lignende masse, ødelegger vanligvis skivestrukturer og danner en trykkstøttet sfæroid, karakteristisk for elliptiske galakser. «Milkomedas» endelige utseende vil sannsynligvis avhenge av:
- Banenes geometri – hvis interaksjonen er sentralt symmetrisk, kan en typisk elliptisk struktur dannes.
- Gjenværende gassmengde – hvis det fortsatt finnes ubrukt eller ublåst gass, kan det dannes en linseformet (S0) galakse med en svak skive- eller ringstruktur.
- Mørk materie-halo – den samlede haloen til Melkeveien og Andromeda vil danne det gravitasjonsmiljøet som bestemmer hvordan stjernene fordeler seg.
Modeller som studerer spiraler med store mengder gass viser sterke stjernedannelsesutbrudd under sammenslåinger, men etter 4–5 mrd. år vil gassreservene i Melkeveien være mer beskjedne, så stjernedannelsen under sammenslåingen kan være mindre intens enn i det tidlige universet [4].
2.2 Sentral SMJS-interaksjon
Det sorte hullet i Melkeveien (Sgr A*) og det større sorte hullet i Andromeda kan til slutt smelte sammen under påvirkning av dynamisk friksjon. I de siste øyeblikkene av sammenslåingen kan sterke gravitasjonsbølger bli utstrålt (selv om de ikke vil være like intense på kosmologisk skala som i tyngre eller mer fjerne systemer). De sammenslåtte sorte hullene vil forbli i sentrum av den nye elliptiske galaksen, muligens strålende som en AGN en stund hvis det er nok gass.
2.3 Solsystemets skjebne
Under sammenslåingen vil Saulei være omtrent like gammel som nå – universet, som nærmer seg slutten av den sene hydrogenbrenningsfasen. Solens lysstyrke vil øke, noe som gjør Jorden ugjestmild for liv, til tross for galaktiske kollisjoner. Dynamisk vil solsystemet sannsynligvis fortsette å gå i bane rundt sentrum av den nye galaksen (eller fortsatt i utkanten av haloen), men det er lite sannsynlig at det blir kastet ut eller slukt av et svart hull [5].
3. Andre galakser i Den Lokale Gruppen og utvikling av dvergsatellitter
3.1 Triangelgalaksen (M33)
M33, den tredje største spiralgalaksen i VG, kretser rundt Andromeda og kan bli en del av «Milkomedas» prosess. Avhengig av banen kan M33 slå seg sammen med det sammenslåtte Andromeda–Melkeveien-systemet senere eller bli ødelagt av tidevannskrefter. Denne galaksen har ganske mye gass, så dens endelige sammenslåing kan forårsake en senere økning i stjernedannelse i det samlede systemet.
3.2 Interaksjoner mellom dvergsatellitter
VG har titalls dverggalakser (f.eks. Magellanskyene, Pilens dverg, m.fl.). Noen av disse kan bli ødelagt eller innlemmet i «Milkomedas» samling gjennom kommende sammenslåinger. Over milliarder av år kan mange små sammenslåinger ytterligere øke stjernehaloen, og gjøre det endelige systemet tettere. Slik fortsetter hierarkisk interaksjon også etter hovedspiral-koalescensen.
4. Universets videre ekspansjonskontekst
4.1 Akselererende ekspansjon og galaktisk isolasjon
Etter dannelsen av «Milkomeda» betyr universets raske ekspansjon, drevet av mørk energi, at galakser som ikke er gravitasjonsbundet, fjerner seg og det blir til slutt umulig å etablere kausale forbindelser med dem. Etter titalls milliarder år vil bare Den Lokale Gruppen (eller dens rester) forbli gravitasjonsbundet, mens alle fjernere klynge-strukturer vil fjerne seg raskere enn lyset kan nå dem. Til slutt vil «Milkomeda» og dens satellitter bli en «øy-univers», adskilt fra andre klynger [6].
4.2 Uttømming av stjernedannelse
Etter hvert som kosmisk tid går, vil gassressursene avta. Sammenslåinger og tilbakemeldinger kan varme opp eller fjerne gjenværende gass, og mengden ny gass som tilføres fra kosmiske filamenter avtar i den sene epoken. Etter hundrevis av milliarder år vil stjernedannelse nesten stoppe, og etterlate hovedsakelig gamle røde dverger. Den endelige elliptiske galaksen vil bli svak, dominert av svake røde stjerner, hvite dverger, nøytronstjerner og svarte hull.
4.3 Dominans av svarte hull og rester
Etter billioner av år kan mange stjerner, påvirket av gravitasjonskrefter, bli kastet ut av Milkomedas halo. I mellomtiden vil SMJS forbli i galaksens kjerne. Til slutt kan svarte hull være de eneste viktige massetoppene i dette dystre kosmiske bakteppet. Hawkings stråling kan over utrolige tidsperioder fordampe selv svarte hull, men dette ligger langt utenfor vanlige astrofysiske epoker [9, 10].
5. Innsikter fra observasjoner og teoretisk analyse
5.1 Overvåkning av Andromedas bevegelse
Hablo kosmiske teleskop målte Andromedas hastigheter i detalj, og bekreftet kollisjonens bane med en liten sidekomponent. Ytterligere data fra Gaia presiserer Andromedas og M33s baner enda mer, noe som gjør det mulig å bedre fastslå tilnærmingens geometri [7]. Fremtidige rombaserte astrometriske oppdrag kan fastslå det første kollisjonstidspunktet enda mer nøyaktig.
5.2 N-kropps simuleringer av den Lokale Gruppen
Modeller laget ved NASA Goddard Space Flight Center og andre steder viser at det første sammenstøtet vil starte om 4–5 milliarder år, etterfulgt av flere nære passeringer mellom M31 og Melkeveien. Til slutt vil de smelte sammen over noen hundre millioner år og danne en enorm elliptisk lignende galakse. Simuleringene undersøker også M33s deltakelse, tidevannssvansene som blir igjen, og kjerne-stjernefødselsutbrudd [8].
5.3 Skjebnen til fjerne hoper utenfor den Lokale Gruppen
På grunn av kosmisk akselerasjon fjerne hoper skiller seg fra oss – over tid vil de overstige våre synsgrenser. Observasjoner av supernovaer med høye rødforskyvninger viser at mørk energi dominerer universets ekspansjon, og på større skala vil galaksenettverket brytes opp i isolerte «øyer». Så selv om galakser lokalt kan slå seg sammen, beveger den bredere kosmiske strukturen seg bort og svekkes i vårt synsfelt.
6. Den fjerne kosmiske fremtiden
6.1 «Degenerasjonsalderen» i universet
Etter at stjernedannelsen tar slutt, går galakser (eller sammenslåtte systemer) gradvis inn i «degenerasjonsalderen», hvor hovedkilden til populasjonsmassen er stjernerester (hvite dverger, nøytronstjerner, svarte hull). Av og til kan tilfeldige kollisjoner mellom brune dverger eller stjernerester kortvarig gjenopplive stjernedannelsen, men i gjennomsnitt blir universet betydelig svakere.
6.2 Den endelige dominansen av svarte hull
Etter hundrevis av billioner år kan gravitasjonskrefter kaste mange stjerner ut av galaksens halo, mens de største svarte hullene forblir i sentrum. Til slutt kan de være den eneste viktige massereservoaret i det ensomme kosmos. Hawking-stråling kan over ufattelig lange tider til og med fordampe disse svarte hullene, selv om dette langt overskrider vanlige astrofysiske epoker [9, 10].
6.3 Arven fra den Lokale Gruppen
I «den mørke tidsalderen» vil Milkomeda sannsynligvis være den eneste massive elliptiske strukturen som inneholder restene av stjernene fra Melkeveien, Andromeda, M33 og dverg-galakser. Hvis fjerne galakser/hoper befinner seg utenfor vårt kosmologiske synshorisont, vil denne sammenslåtte øya forbli lokalt, gradvis synkende inn i kosmisk mørke.
7. Konklusjoner
Melkeveien og Andromeda nærmer seg uunngåelig galaktisk sammenslåing – et fenomen som vil forårsake en enorm endring i sentrum av den Lokale Gruppen. Omtrent om 4–5 milliarder år vil disse to spiralgalaksene begynne å samhandle med tidevannsforskyvninger, stjernefødselsutbrudd og bølger av «matning» av svarte hull, til de til slutt smelter sammen til en massiv elliptisk – «Milkomeda». Mindre galakser som M33 kan bli trukket inn i denne sammenslåingen, mens dvergsatellitter vil bli tidevannsrivd eller integrert.
Når vi ser enda lenger frem, vil universets ekspansjon skille denne nye strukturen fra de gjenværende, og omslutte den i ensomhet, hvor stjernedannelse etter hvert vil opphøre. I løpet av titalls eller hundretalls milliarder år vil bare aldrende stjerner være igjen, inntil svarte hull og stjernerester til slutt dominerer. Men for de nærmeste milliardene år vil vårt kosmiske hjørne forbli ganske livskraftig, og den kommende kollisjonen med Andromeda vil bli det siste storslåtte galaktiske samlingsarrangementet i den Lokale Gruppen.
Lenker og videre lesning
- van der Marel, R. P., et al. (2012). “M31s hastighetsvektor. III. Fremtidig baneutvikling for Melkeveien–M31–M33, sammenslåing og solens skjebne.” The Astrophysical Journal, 753, 9.
- van der Marel, R. P., & Guhathakurta, P. (2008). “M31s tverrgående hastighet og lokalgruppe-masse fra satellittkinematikk.” The Astrophysical Journal, 678, 187–199.
- Cox, T. J., & Loeb, A. (2008). “Kollisjonen mellom Melkeveien og Andromeda.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 461–474.
- Hopkins, P. F., et al. (2008). “En samlet, sammenslåingsdrevet modell for opprinnelsen til stjerneutbrudd, kvasarer og sfæroider.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
- Sackmann, I.-J., & Boothroyd, A. I. (2003). “Vår sol. III. Nåtid og fremtid.” The Astrophysical Journal, 583, 1024–1039.
- Riess, A. G., et al. (1998). “Observasjonelle bevis fra supernovaer for et akselererende univers og en kosmologisk konstant.” The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
- Gaia Collaboration (2018). “Gaia Data Release 2. Observasjonelle Hertzsprung–Russell-diagrammer.” Astronomy & Astrophysics, 616, A1.
- Kallivayalil, N., et al. (2013). “Tredje epoke Magellanske skyers egenbevegelser. III. Kinematisk historie for de Magellanske skyene og skjebnen til den Magellanske strømmen.” The Astrophysical Journal, 764, 161.
- Adams, F. C., & Laughlin, G. (1997). “Et døende univers: Den langsiktige skjebnen og utviklingen av astrofysiske objekter.” Reviews of Modern Physics, 69, 337–372.
- Hawking, S. W. (1975). “Partikkelproduksjon av svarte hull.” Communications in Mathematical Physics, 43, 199–220.