Przewidywane połączenie Drogi Mlecznej i Andromedy oraz dalszy los galaktyk we wszechświecie w rozszerzaniu się
Wszystkie galaktyki zmieniają się w czasie kosmicznym: rosną przez łączenia, stopniowo zmieniają się pod wpływem procesów wewnętrznych, a czasem nieuchronnie zbliżają się do zderzeń z sąsiednimi galaktykami. Droga Mleczna, w której żyjemy, nie jest wyjątkiem: porusza się w środowisku Lokalnej Grupy Galaktyk (LG), a obserwacje wskazują, że zmierza ku zderzeniu z największym swoim satelitą – galaktyką Andromedy (M31). To imponujące połączenie, zwane również „Milkomedą”, zasadniczo zmieni naszą lokalną przestrzeń kosmiczną za kilka miliardów lat. Jednak nawet po tym wydarzeniu szybka ekspansja Wszechświata zdeterminuje dalszą historię izolacji galaktyk i ich ostatecznego losu. W tym artykule omówimy, dlaczego i jak Droga Mleczna zderzy się z Andromedą, możliwe skutki połączenia dla obu galaktyk oraz szerszą długoterminową przyszłość galaktyk w kontekście rosnącej ekspansji Wszechświata.
1. Nadchodzące połączenie: Droga Mleczna i Andromeda
1.1 Dowody na trajektorię zderzenia
Dokładne pomiary ruchu Andromedy względem Drogi Mlecznej pokazują, że znajduje się ona w stanie przesunięcia ku błękitowi – zbliża się do nas z prędkością około 110 km/s. Wczesne badania prędkości radialnej sugerowały możliwe przyszłe zderzenie, jednak prędkość poprzeczna Andromedy długo pozostawała niejasna. Dane z Teleskopu Kosmicznego Hubble'a oraz późniejsze korekty (w tym obserwacje Gaia) pozwoliły określić własny ruch Andromedy, potwierdzając, że za około 4–5 miliardów lat powinna zderzyć się z naszą Drogą Mleczną [1,2].
1.2 Kontekst Lokalnej Grupy Galaktyk
Andromeda (M31) i Droga Mleczna to dwie największe galaktyki W Lokalnej Grupie Galaktyk – niewielkim skupisku galaktyk o średnicy około 3 milionów lat świetlnych. Galaktyka Trójkąta (M33), krążąca blisko Andromedy, również może zostać uwzględniona w przyszłym zderzeniu. Różne galaktyki karłowate (np. Obłoki Magellana, inne towarzyszące) rozmieszczone na obrzeżach LG również mogą doświadczyć pływowych zakłóceń lub stać się satelitami scalonego systemu.
1.3 Okresy i dynamika zderzenia
Symulacje pokazują, że pierwsze zderzenie Andromedy i Drogi Mlecznej nastąpi za około 4–5 mld lat, być może z kilkoma bliskimi przelotami przed ostateczną koalescencją za ~6–7 mld lat. Podczas tych zbliżeń:
- Siły pływowe rozciągną strukturę dysku, mogą powstać pływowe ogony lub pierścieniowe formacje.
- Formowanie gwiazd chwilowo się nasili w regionach, gdzie nakładają się skupiska gazu.
- „Karmienie” czarnej dziury może się nasilić w jądrach, jeśli gaz będzie napływał do centrum.
Ostatecznie te galaktyki prawdopodobnie połączą się w masywną galaktykę eliptyczną lub soczewkowatą nazwaną „Milkomedą”, w której połączą się gwiazdy obu spiral [3].
2. Możliwy wynik zderzenia „Milkomedy”
2.1 Eliptyczne lub masywne pozostałości sferoidalne
Główne zderzenia, zwłaszcza dwóch spiral o podobnej masie, zazwyczaj niszczą struktury dyskowe i tworzą ciśnieniowo podtrzymywane sferoidy charakterystyczne dla galaktyk eliptycznych. Ostateczny wygląd „Milkomedy” prawdopodobnie będzie zależał od:
- Geometria orbit – jeśli interakcja będzie centralnie symetryczna, może powstać typowa struktura eliptyczna.
- Pozostała ilość gazu – jeśli nadal pozostaną niezużyte lub nieodparowane gazy, może powstać galaktyka soczewkowata (S0) z niewielką strukturą dysku lub pierścienia.
- Halo ciemnej materii – wspólne halo Drogi Mlecznej i Andromedy stworzy grawitacyjne środowisko, które wpłynie na rozmieszczenie gwiazd.
Modele badające spirale z dużą ilością gazu pokazują silne wybuchy formowania gwiazd podczas zderzeń, jednak po 4–5 mld lat zapasy gazu Drogi Mlecznej będą skromniejsze, więc formowanie gwiazd podczas zderzenia może być mniej intensywne niż we wczesnym Wszechświecie [4].
2.2 Centralna interakcja SMJS
Czarna dziura Drogi Mlecznej (Sgr A*) i większa czarna dziura Andromedy mogą ostatecznie połączyć się pod wpływem tarcia dynamicznego. W ostatnich chwilach zderzenia mogą zostać wyemitowane silne fale grawitacyjne (choć na skalę kosmologiczną nie tak intensywne jak w innych, masywniejszych lub dalszych systemach). Po połączeniu czarne dziury pozostaną w centrum nowej galaktyki eliptycznej, być może przez pewien czas emitując promieniowanie jako AGN, jeśli będzie wystarczająco dużo gazu.
2.3 Losy Układu Słonecznego
Podczas zderzenia Sol będzie miała mniej więcej tyle lat, co obecnie – Wszechświat, zbliżający się do końca późnego spalania wodoru. Jasność Słońca wzrośnie, czyniąc Ziemię nieprzyjazną dla życia, pomimo zderzenia galaktyk. Dynamicznie, Układ Słoneczny najprawdopodobniej pozostanie na orbicie w centrum nowej galaktyki (lub dalej na obrzeżach halo), ale mało prawdopodobne jest, by został wyrzucony lub pochłonięty przez czarną dziurę [5].
3. Inne galaktyki Grupy Lokalnej i ewolucja karłowatych satelitów
3.1 Galaktyka Trójkąta (M33)
M33, trzecia co do wielkości galaktyka spiralna VG, krąży wokół Andromedy i może zostać włączona do procesu „Milkomedy”. W zależności od orbity, M33 może połączyć się z połączonym systemem Andromedy–Drogi Mlecznej później lub zostać zniszczona przez siły pływowe. Ta galaktyka ma dość dużo gazu, więc jej ostateczne połączenie mogłoby wywołać późniejszy wzrost formowania gwiazd w całym systemie.
3.2 Oddziaływania karłowatych satelitów
VG ma dziesiątki galaktyk karłowatych (np. Obłoki Magellana, Karzeł Strzały i inne). Niektóre z nich mogą zostać zniszczone lub włączone do struktury „Milkomedy” podczas nadchodzących zderzeń. W ciągu miliardów lat wiele małych zderzeń może jeszcze bardziej powiększyć halo gwiazd, zagęszczając ostateczny system. Tak hierarchiczne oddziaływania trwają także po głównej koalescencji spiralnej.
4. Kontekst dalszej ekspansji Wszechświata
4.1 Przyspieszona ekspansja i galaktyczne izolowanie się
Po uformowaniu „Milkomedy” szybka ekspansja Wszechświata, napędzana ciemną energią, oznacza, że galaktyki niezwiązane grawitacyjnie oddalają się i z czasem niemożliwe będzie nawiązanie z nimi przyczynowego kontaktu. Po dziesiątkach miliardów lat tylko Grupa Lokalna (lub jej pozostałość) pozostanie grawitacyjnie związana, a wszystkie dalsze struktury gromad oddalą się szybciej niż światło zdąży się z nimi skomunikować. Ostatecznie „Milkomeda” i jej satelity staną się „Wyspowym Wszechświatem”, odizolowanym od innych gromad [6].
4.2 Wyczerpanie formowania gwiazd
W miarę upływu czasu kosmicznego zasoby gazu będą się kurczyć. Zderzenia i sprzężenie zwrotne mogą podgrzać lub usunąć pozostały gaz, a ilość nowego gazu napływającego z włókien kosmicznych w późnej epoce maleje. Po setkach miliardów lat formowanie gwiazd niemal ustanie, pozostawiając głównie stare czerwone gwiazdy. Ostateczna galaktyka eliptyczna przygaśnie, dominować będą tylko blade czerwone gwiazdy, białe karły, gwiazdy neutronowe oraz czarne dziury.
4.3 Dominacja czarnych dziur i pozostałości
Po bilionach lat wiele gwiazd, pod wpływem oddziaływań grawitacyjnych, może zostać wyrzuconych z halo Milkomedy. Tymczasem SMJS pozostanie w jądrze galaktyki. Ostatecznie czarne dziury mogą być jedynymi istotnymi skupiskami masy w tym ponurym kosmicznym tle. Promieniowanie Hawkinga przez niewiarygodnie długie okresy mogłoby wyparować nawet czarne dziury, ale to już leży daleko poza zwykłymi epokami astrofizycznymi [9, 10].
5. Wnioski z obserwacji i analiz teoretycznych
5.1 Obserwacje ruchu Andromedy
Teleskop Hablo kosminis szczegółowo mierzył prędkości Andromedy, potwierdzając trajektorię zderzenia z niewielkim bocznym składnikiem. Dodatkowe dane z Gaia jeszcze bardziej precyzują orbity Andromedy i M33, pozwalając lepiej określić geometrię zbliżania się [7]. Przyszłe kosmiczne misje astrometryczne mogą jeszcze dokładniej ustalić pierwszy czas zderzenia.
5.2 Symulacje N-ciał Grupy Lokalnej
Modele stworzone w NASA Goddard Space Flight Center i innych miejscach pokazują, że około 4–5 mld lat rozpocznie się pierwsze zderzenie, po którym M31 i Droga Mleczna mogą kilka razy blisko minąć się. Ostatecznie połączą się w ciągu kilkuset milionów lat, tworząc ogromną galaktykę podobną do eliptycznej. Symulacje badają również udział M33, pozostawione pływowe ogony i wybuchy formowania gwiazd w jądrze [8].
5.3 Los dalszych gromad poza Grupą Lokalną
Z powodu kosmicznej akceleracji dalsze gromady oddzielają się od nas – z czasem przekroczą nasze granice widoczności. Obserwacje supernowych o wysokim przesunięciu ku czerwieni wskazują, że ciemna energia dominuje w rozszerzaniu Wszechświata, więc na większą skalę sieć galaktyk rozpadnie się na izolowane „wyspy”. Tak więc, nawet jeśli lokalnie galaktyki się połączą, szersza struktura kosmiczna oddala się i słabnie w naszym polu widzenia.
6. Odległa przyszłość kosmiczna
6.1 „Era degeneracyjna” Wszechświata
Po wyczerpaniu formowania gwiazd galaktyki (lub połączone systemy) stopniowo przechodzą w „erę degeneracyjną”, gdzie głównym źródłem masy populacji są pozostałości gwiazd (białe karły, gwiazdy neutronowe, czarne dziury). Czasami przypadkowe zderzenia brązowych karłów lub pozostałości gwiazd mogą na krótko ożywić formowanie gwiazd, ale średnio Wszechświat jest znacznie przygaszony.
6.2 Ostateczne panowanie czarnych dziur
Po setkach bilionów lat oddziaływania grawitacyjne mogą wyrzucić wiele gwiazd z halo galaktyki, podczas gdy największe czarne dziury pozostaną w centrach. Ostatecznie mogą one być jedynym ważnym rezerwuarem masy w samotnym kosmosie. Promieniowanie Hawkinga przez niewyobrażalnie długie czasy może nawet wyparować te czarne dziury, choć to znacznie wykracza poza zwykłe epoki astrofizyczne [9, 10].
6.3 Dziedzictwo Grupy Lokalnej
W „Ciemnej Erze” Milkomeda prawdopodobnie będzie jedyną masywną eliptyczną strukturą, w której będą spoczywać pozostałości gwiazd Drogi Mlecznej, Andromedy, M33 i karłowatych galaktyk. Jeśli dalsze galaktyki/gromady znajdą się poza naszym kosmologicznym horyzontem widzenia, lokalnie pozostanie ta połączona wyspa, powoli zapadająca się w kosmiczną ciemność.
7. Wnioski
Pasaulio takas i Andromeda nieuchronnie zbliżają się do zderzenia galaktyk – zjawiska, które wywoła ogromną zmianę w centrum Grupy Lokalnej. Około za 4–5 mld lat te dwie galaktyki spiralne zaczną oddziaływać na siebie falami pływowych zniekształceń, wybuchów formowania gwiazd i „karmienia” czarnych dziur, aż w końcu połączą się w jedną masywną eliptyczną – „Milkomedę”. Mniejsze galaktyki, takie jak M33, mogą zostać włączone do tego połączenia, a karłowate satelity zostaną pływowo rozbite lub zintegrowane.
Patrząc dalej, rozszerzanie się Wszechświata oddzieli ten nowy twór od pozostałych struktur, zamykając go w samotności, gdzie formowanie się gwiazd stopniowo wygaśnie. Po dziesiątkach lub setkach miliardów lat pozostaną tylko starzejące się gwiazdy, aż w końcu dominować będą jedynie czarne dziury i szczątki gwiazd. Jednak przez najbliższe kilka miliardów lat nasz kosmiczny zakątek pozostanie dość żywy, a nadchodząca kolizja z Andromedą stanie się ostatnim wielkim wydarzeniem łączenia galaktyk w Grupie Lokalnej.
Linki i dalsza lektura
- van der Marel, R. P., et al. (2012). „Wektor prędkości M31. III. Przyszła ewolucja orbitalna Drogi Mlecznej–M31–M33, łączenie się i los Słońca.” The Astrophysical Journal, 753, 9.
- van der Marel, R. P., & Guhathakurta, P. (2008). „Prędkość poprzeczna M31 i masa Grupy Lokalnej na podstawie kinematyki satelitów.” The Astrophysical Journal, 678, 187–199.
- Cox, T. J., & Loeb, A. (2008). „Zderzenie Drogi Mlecznej z Andromedą.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 461–474.
- Hopkins, P. F., et al. (2008). „Zunifikowany, napędzany przez zderzenia model powstawania wybuchów gwiazdowych, kwazarów i sferoidów.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
- Sackmann, I.-J., & Boothroyd, A. I. (2003). „Nasze Słońce. III. Obecnie i w przyszłości.” The Astrophysical Journal, 583, 1024–1039.
- Riess, A. G., et al. (1998). „Obserwacyjne dowody z supernowych na przyspieszający Wszechświat i stałą kosmologiczną.” The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
- Gaia Collaboration (2018). „Gaia Data Release 2. Obserwacyjne diagramy Hertzsprunga–Russella.” Astronomy & Astrophysics, 616, A1.
- Kallivayalil, N., et al. (2013). „Ruchy własne Obłoków Magellana trzeciej epoki. III. Historia kinetyczna Obłoków Magellana i los Strumienia Magellana.” The Astrophysical Journal, 764, 161.
- Adams, F. C., & Laughlin, G. (1997). „Umierający Wszechświat: Długoterminowy los i ewolucja obiektów astrofizycznych.” Reviews of Modern Physics, 69, 337–372.
- Hawking, S. W. (1975). „Tworzenie cząstek przez czarne dziury.” Communications in Mathematical Physics, 43, 199–220.