Прогнозируемое слияние Млечного Пути и Андромеды и дальнейшая судьба галактик в расширяющейся Вселенной
Все галактики постоянно меняются во времени космоса: они растут за счёт слияний, постепенно изменяются под воздействием внутренних процессов и иногда неизбежно приближаются к столкновениям с соседними галактиками. Млечный Путь, в котором мы живём, не исключение: он движется в среде Местной группы галактик (МГ), и наблюдения показывают, что он движется к столкновению с крупнейшим своим спутником — галактикой Андромеды (M31). Это впечатляющее слияние, также называемое «Милкомедой», коренным образом изменит наш локальный космос через несколько миллиардов лет. Однако даже после этого события быстрое расширение Вселенной определит ещё более широкую историю одиночества галактик и их конечной судьбы. В этой статье мы обсудим, почему и как Млечный Путь столкнётся с Андромедой, возможные последствия слияния для обеих галактик и более долгосрочное будущее галактик в контексте расширяющейся Вселенной.
1. Грядущее слияние: Млечный Путь и Андромеда
1.1 Доказательства траектории столкновения
Точные измерения движения Андромеды относительно Млечного Пути показывают, что она находится в состоянии синего смещения — приближается к нам со скоростью около 110 км/с. Ранние исследования радиальной скорости указывали на возможное грядущее столкновение, однако поперечная скорость Андромеды долго оставалась неясной. Данные космического телескопа Хаббл и последующие уточнения (включая наблюдения Gaia) позволили определить собственное движение Андромеды, подтвердив, что примерно через 4–5 миллиардов лет она должна столкнуться с нашим Млечным Путём [1,2].
1.2 Контекст Местной группы галактик
Андромеда (M31) и Путь Млечный — две крупнейшие галактики Местной группы галактик — небольшого скопления галактик диаметром около 3 миллионов световых лет. Галактика Треугольника (M33), движущаяся недалеко от Андромеды, также может быть вовлечена в грядущее столкновение. Различные карликовые галактики (например, Магеллановы Облака, другие спутники) расположены на окраинах МГ и также могут испытывать приливные возмущения или стать спутниками сливающейся системы.
1.3 Периоды и динамика столкновения
Симуляции показывают, что первое столкновение Андромеды и Млечного Пути произойдёт примерно через 4–5 млрд лет, возможно с несколькими близкими прохождениями перед окончательной коалесценцией примерно через 6–7 млрд лет. Во время этих сближений:
- Приливные силы вытянут дисковую структуру, могут появиться приливные хвосты или кольцевые образования.
- Звездообразование кратковременно усилится в регионах, где пересекаются газовые скопления.
- «Питание» чёрной дыры может усилиться в ядерных областях, если газ потечёт в центр.
В конечном итоге эти галактики, вероятно, сливаются в массивную эллиптическую или линзовидную галактику, называемую «Милкомеда», в которой объединятся звёзды обеих спиралей [3].
2. Возможный результат слияния «Милкомеды»
2.1 Эллиптический или массивный сфероидальный остаток
Основные слияния, особенно двух спиралей с похожей массой, обычно разрушают дисковые структуры и формируют поддерживаемый давлением сфероид, характерный для эллиптических галактик. Окончательный вид «Милкомеды» вероятно будет зависеть от:
- Геометрия орбит – если взаимодействие будет центрально-симметричным, может образоваться типичная эллиптическая структура.
- Оставшееся количество газа – если ещё останутся неиспользованные или невыдутые газы, может сформироваться линзовидная (S0) галактика с небольшой дисковой или кольцевой структурой.
- Гало тёмной материи – общее гало Млечного Пути и Андромеды создаст гравитационную среду, определяющую перераспределение звёзд.
Модели, изучающие спиральные галактики с большим количеством газа, показывают сильные вспышки звездообразования при слияниях, однако через 4–5 млрд лет запасы газа в Млечном Пути будут скромнее, поэтому звездообразование во время слияния может быть менее интенсивным, чем в ранней Вселенной [4].
2.2 Взаимодействие центральных SMBH
Чёрная дыра Млечного Пути (Sgr A*) и большая дыра Андромеды со временем, под действием динамического трения, могут слиться. В последние моменты слияния могут выделяться сильные гравитационные волны (хотя и не такой интенсивности в космологическом масштабе, как в более массивных или удалённых системах). Слитые чёрные дыры останутся в центре новой эллиптической галактики, возможно, некоторое время излучая как AGN, если будет достаточно газа.
2.3 Судьба Солнечной системы
Во время слияния Солнцу будет примерно столько же лет, сколько сейчас – Вселенной, приближаясь к концу позднего водородного горения. Светимость Солнца увеличится, сделав Землю непригодной для жизни, несмотря на галактическое столкновение. Динамически, солнечная система, скорее всего, останется вращаться в центре новой галактики (или на краю гало), но маловероятно, что будет выброшена или поглощена чёрной дырой [5].
3. Другие галактики Местной Группы и эволюция карликовых спутников
3.1 Треугольная галактика (M33)
M33, третья по размеру спиральная галактика Местной Группы, движется вокруг Андромеды и может быть вовлечена в процесс «Милкамеды». В зависимости от орбиты M33 может слиться с объединённой системой Андромеды–Млечного Пути позже или быть разрушена приливными силами. Эта галактика содержит довольно много газа, поэтому её конечное слияние может вызвать последующее увеличение звездообразования в общей системе.
3.2 Взаимодействия карликовых спутников
В Местной Группе есть десятки карликовых галактик (например, Магеллановы Облака, Карликовая Стрела и др.). Некоторые из них в предстоящих слияниях могут быть разрушены или включены в скопление «Милкамеды». За миллиарды лет множество мелких слияний может ещё больше увеличить звёздное гало, уплотняя конечную систему. Так и продолжается иерархическое взаимодействие после основного слияния спиральных галактик.
4. Контекст дальнейшего расширения Вселенной
4.1 Ускоренное расширение и галактическое отделение
После формирования «Милкамеды» ускоренное расширение Вселенной, вызванное тёмной энергией, означает, что галактики, не связанные гравитационно, удаляются и со временем становится невозможным установить с ними причинно-следственную связь. Через десятки миллиардов лет только Местная Группа (или её остаток) останется гравитационно связанной, а все более удалённые структуры скоплений удалятся быстрее, чем свет успеет их связать. В конечном итоге «Милкамеда» и её спутники станут «Островной Вселенной», отделённой от других скоплений [6].
4.2 Истощение звездообразования
С течением космического времени запасы газа будут уменьшаться. Слияния и обратная связь могут нагревать или удалять оставшийся газ, а количество нового газа, поступающего из космических нитей, в позднюю эпоху уменьшается. Через сотни миллиардов лет звездообразование почти прекратится, оставив в основном стареющие красные звёзды. Конечная эллиптическая галактика потускнеет, в ней будут доминировать лишь тусклые красные звёзды, белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры.
4.3 Доминирование чёрных дыр и остатков
Через триллионы лет многие звёзды, под воздействием гравитационных взаимодействий, могут быть выброшены из гало Милкамеды. Между тем, SMJS останется в ядре галактики. В конечном итоге чёрные дыры могут стать единственными значимыми скоплениями массы в этом мрачном космическом фоне. Излучение Хокинга за невероятно длительные периоды могло бы испарить даже чёрные дыры, но это уже лежит далеко за пределами обычных астрофизических эпох [9, 10].
5. Выводы наблюдений и теоретического анализа
5.1 Наблюдение движения Андромеды
Космический телескоп Хаббл подробно измерял скорости Андромеды, подтверждая траекторию столкновения с небольшой боковой составляющей. Дополнительные данные от Gaia ещё точнее уточняют орбиты Андромеды и M33, позволяя лучше определить геометрию сближения [7]. Будущие космические астрометрические миссии смогут ещё точнее определить время первого столкновения.
5.2 N-телевые симуляции Местной группы
Модели, созданные в космическом центре NASA Годдарда и других местах, показывают, что примерно через 4–5 млрд лет начнётся первое столкновение, после которого M31 и Млечный Путь могут несколько раз близко пройти мимо друг друга. В конечном итоге они сольются за несколько сотен миллионов лет, сформировав гигантскую галактику, похожую на эллиптическую. Симуляции также изучают участие M33, оставленные приливные хвосты и ядерные вспышки звездообразования [8].
5.3 Судьба далеких скоплений за пределами Местной группы
Из-за космического ускорения дальние скопления отделяются от нас – со временем они выйдут за пределы нашего горизонта видимости. Наблюдения сверхновых с высокими красными смещениями показывают, что тёмная энергия доминирует в расширении Вселенной, поэтому в большем масштабе галактическая сеть распадётся на изолированные "острова". Таким образом, даже если локально галактики сольются, более широкая космическая структура удаляется и ослабевает в нашем поле зрения.
6. Далёкое космическое будущее
6.1 "Эра вырождения" Вселенной
После того, как звездообразование иссякнет, галактики (или объединённые системы) постепенно перейдут в "эру вырождения", где основным источником массы популяции будут остатки звёзд (белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры). Иногда случайные столкновения коричневых карликов или остатков звёзд могут кратковременно возобновить звездообразование, но в среднем Вселенная значительно потускнеет.
6.2 Конечное господство чёрных дыр
Спустя сотни триллионов лет гравитационные взаимодействия могут выбросить множество звёзд из гало галактики, в то время как крупнейшие чёрные дыры останутся в центрах. В конечном итоге они могут стать единственным важным резервуаром массы в одинокой вселенной. Излучение Хокинга за умопомрачительно долгие времена может даже испарить эти чёрные дыры, хотя это далеко выходит за рамки обычных астрофизических эпох [9, 10].
6.3 Наследие Местной группы
В "Тёмном веке" Милкомеда, вероятно, будет единственной массивной эллиптической структурой, в которой сохранятся остатки звёзд Млечного Пути, Андромеды, M33 и карликовых галактик. Если дальнейшие галактики/скопления окажутся за пределами нашего космологического горизонта видимости, локально останется этот объединённый остров, постепенно погружающийся в космическую тьму.
7. Выводы
Млечный Путь и Андромеда неизбежно приближаются к слиянию галактик – явлению, которое вызовет огромные изменения в центре Местной группы. Примерно через 4–5 млрд лет эти две спиральные галактики начнут взаимодействовать волнами приливных искажений, вспышек звездообразования и "кормления" чёрных дыр, пока в конечном итоге не сольются в одну массивную эллиптическую – «Милкомеду». Меньшие галактики, такие как M33, могут быть вовлечены в это слияние, а карликовые спутники будут приливно разрушены или интегрированы.
Далее, расширение Вселенной отделит эту новую структуру от остальных, заперев её в одиночестве, где звездообразование со временем иссякнет. Через десятки или сотни миллиардов лет останутся только стареющие звёзды, пока в конечном итоге не будут доминировать только чёрные дыры и остатки звёзд. Однако в ближайшие несколько миллиардов лет наш космический уголок останется довольно живым, а приближающееся столкновение с Андромедой станет последним великим событием сбора галактик в Местной группе.
Nuorodos ir platesnis skaitymas
- van der Marel, R. P., и др. (2012). «Вектор скорости M31. III. Будущее орбитальное развитие Млечного Пути–M31–M33, слияние и судьба Солнца.» The Astrophysical Journal, 753, 9.
- van der Marel, R. P., & Guhathakurta, P. (2008). «M31 Transverse Velocity and Local Group Mass from Satellite Kinematics.» The Astrophysical Journal, 678, 187–199.
- Кокс, Т. Дж., & Лоеб, А. (2008). «Столкновение Млечного Пути и Андромеды.» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 461–474.
- Хопкинс, П. Ф., и др. (2008). «Объединённая модель происхождения звёздных вспышек, квазаров и сфероидов, основанная на слияниях.» The Astrophysical Journal Supplement Series, 175, 356–389.
- Сакман, И.-Й., & Бутройд, А. И. (2003). «Наше Солнце. III. Настоящее и будущее.» The Astrophysical Journal, 583, 1024–1039.
- Рис, А. Г., и др. (1998). «Наблюдательные доказательства ускоряющейся Вселенной и космологической постоянной на основе сверхновых.» The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
- Gaia Collaboration (2018). «Gaia Data Release 2. Observational Hertzsprung–Russell diagrams.» Astronomy & Astrophysics, 616, A1.
- Калливайалил, Н., и др. (2013). «Третья эпоха собственных движений Магеллановых Облаков. III. Кинематическая история Магеллановых Облаков и судьба Магелланова Потока.» The Astrophysical Journal, 764, 161.
- Адамс, Ф. К., & Лафлин, Г. (1997). «Умирающая Вселенная: долгосрочная судьба и эволюция астрофизических объектов.» Reviews of Modern Physics, 69, 337–372.
- Хокинг, С. У. (1975). «Создание частиц черными дырами.» Communications in Mathematical Physics, 43, 199–220.