Observarea quasarilor

Primii quasari au fost observaţi prin telescoape radio la sfârşitul anilor 1950. Atunci, au fost consideraţi surse de unde radio, dar fără corespondent în lumina vizibilă. Până în anii 1960, fuseseră descoperite sute de asemenea obiecte. În 1960, astronomii au reuşit să asocieze undele radio provenite de la 3C 48 cu un obiect ce putea fi observat şi la lumina vizibila. Ei au putut vedea un punct ce părea să fie o stea albastră foarte puţin strălucitoare şi i-au putut obţine spectrul. Aceştia au considerat că este o anomalie, acesta având linii de emisie necunoscute. Mai târziu, în 1962, un alt quasar a putut fi analizat – 3C 273. Spectrul acestuia arăta aceleaşi linii de emisie ciudate. Astronomul Maarten Schmidt a realizat atunci că acele linii nu erau altceva decât linii spectrale deplasate foarte mult spre roşu. De fapt, 3C 273, de îndepărta de noi cu o viteză  de 47,000 km/s.

În 1964   astrofizicianul Hong-Yee Chiu a dat numele de quasar, în încercarea sa de a abrevia numele de „sursă radio cvasi-stelară”, cum erau cunoscute aceste obiecte cosmice în acel timp.

În 1979 a foat descoperit primul quasar dublu –  Q0957+561, şi odată cu acesta a fost demonstrat efectul de lentile gravitaţionale, prezis de teoria relativităţii generale a lui Albert Einstein. Conform acestuia, între două surse aflate la distanţe mari (de exemplu, o galaxie îndepărtată şi Pământul), materia este distribuită într-un mod în care poate să curbeze lumina provenită de la sursă (galaxia), în timp ce ajunge la observator (Pământul).

În 1980, s-a constatat că, luminozitatea enormă a quasarilor este datorată discurilor de acreaţie ale găurilor negre centrale supermasive. Această producere de energie se termină odată ce gaura neagră supermasivă consumă tot gazul şi praful de lână ea. Astfel, putem înţelege de ce quasarii sunt obiecte foarte comune universului timpuriu. Acest lucru sugerează că, majoritatea galaxiilor, printre care şi Calea Lactee, au trecut cândva printr-o perioadă când au fost active. În favoarea acestei teorii vin observaţiile care arată că în galaxiile asemănătoare Căii Lactee nu există suficientă materie centrală pentru a putea „hrăni” gaura neagră supermasivă pentru ca aceasta să poată produce radiaţie.

 

 

 

 

Tipuri de galaxii

Roţi enorme, globuri sau nori de materie. Galaxii. În Univers, galaxiile sunt extrem de diferite – cea mai mică poate conţine câteva miliarde de stele, iar cea mai mare, în jur de un milion de milioane. Unele au doar câteva mii de ani-lumină în diametru, în timp ce altele sunt de câteva mii de ori mai mari. Există galaxii care conţin numai stele bătrâne roşii sau  galbene şi galaxii pline de stele tinere albastre, able şi sori strălucitori. Toate aceste caracteristici indică istoria şi evoluţia galaxiilor.

Galaxiile pot fi clasificate în mai multe feluri. După formă, sunt galaxii spirale, eliptice, lenticulare  şi neregulate.

Dintre toate galaxiile Universului apropiat, 25-30% sunt galaxii spirale. Fiecare dintre ele conţine un disc aplatizat de materie bogată în praf şi gaz, ce orbitează în jurul unui nucleu sferic, format din stele bătrâne, roşii sau galbene, deseori în formă de bară. Deşi stelele se află peste tot în interiorul discului, cele mai strălucitoare – roiurile de stele tinere, sunt situate numai în braţele spirale. Privit de pe Pământ, spaţiul dintre aceste braţe pare gol. De fapt, el este plin de stele. Deasupra şi dedesubtul discului există un „halou”, unde se găsesc roiurile globulare.

Galaxiile spirale se rotesc încet, de obicei o dată la câteva sute de milioane de ani, dar nu se comportă ca un obiect solid. Stelelor ce orbitează mai departe le trebuie mai mult timp să-şi completeze orbita decât celor care sunt aproape de nucleu. De asemenea, stelele din interiorul discului urmează orbite eliptice, într-un singur plan, în timp ce stelele din centru au orbite extrem de neregulate, cu diverse înclinaţii.

Galaxiile eliptice arată ca o strucută simplă, în formă de minge şi pot avea diferite dimensiuni. La un capăt,  elipticele pitice sunt roiuri relativ mici de milioane de stele care par slabe şi difuze. Unele galaxii sunt împrăştiate în spaţiu între galaxii mai mari şi conţin, probabil, misterioasa materie invizibilă numită „materie neagră„. La celălalt capăt, se află elipticele gigante, care se găsesc numai în vecinătatea centrului marilor roiuri galactice şi conţin sute de miliarde de stele. Unele eliptice gigante, numite galaxii cD, au o anvelopă exterioară de stele şi concentraţii multiple de stele în centru. Acest fapt sugerează formarea lor prin contopirea unor eliptice mai mici.

Majoritatea stelelor din eliptice sunt sunt galbene ţi roşii. Gazul şi praful din care se formează stele este rar, ceea ce indică faptul că formarea stelelor din aceste galaxii a încetat de  mult. Fiecare stea orbitează nucleul dens al galaxiei pe propria ei cale. Şansele unei posibile coloziuni sunt slabe, deoarece stelele sunt mici în comparaţie cu distanţa dintre ele.

Asemenea elipticelor, galaxiile  lenticulare au un nucleu  aproape sferic,  format din stele bătrâne roşii şi galbene. Dar, spre deosebire de acestea, lenticularele au un disc de stele şi gaz în jurul nucleului. Deşi seamănă ca formă şi dimensiune cu galaxiile spirale, acest tip de galaxie are o formă de „lentilă” şi un nucleu mai mare decât al spiralelor. Mai mult, galaxiile lenticulare nu au braţe spirale.

Fiind foarte similare cu celelalte două tipuri de galaxii, lenticularele sunt greu de deosebit de acestea. Nici formarea lor nu este clară,dar este posibil să fie galaxii spirale, care şi-au pierdut mare parte din praf şi gaz.

Unele galaxii nu sunt nici spirale, eliptice sau lenticulare. Sunt galaxii neregulate. Unele sunt clasificate   sub numele de „ciudate” sau „Pec”. Acestea se află în coliziune cu alte galaxii sau gravitaţia galaxiilor vecine le strică structura. Dar cele mai multe galaxii neregulate sunt de tip Irr – prezintă în interiorul lor activitate intensă de formare a stelelor, conţinând mult gaz, praf şi stele albastre, fierbinţi.

Există câteva galaxii neregulate care par să aibă o structură – o bară centrală sau un început de braţ. Cei mai strălucitori companioni ai galaxiei noastre, Norul Mare şi Norul Mic al lui Magellan, sunt galaxii neregulate tipice.

Toate tipurile de galaxii au o zonă întunecată în nucleu, diferită de zonele exterioare. Stelele din vecinătatea acestor nuclee galactice au orbite rapide, ceea ce sugerează  existenţa unei concentraţii enorme de masă în volumul  redus al lor. Singurul obiect care poate atinge o asemenea densitate este o gaură neagră.

Î

n ciuda atracţiei gravitaţionale enorme a acestei găuri negre supermasive, materia şi-a stabilit de multă vreme orbite stabile în jurul ei în majoritatea galaxiilor. Fără materie de absorbit, gaura neagră rămâne inactivă. Când un nor de gaz sau un obiect ajunge prea aproape, gaura neagră se poate trezi totuşi, atrăgând materia hoinară, încălzind-o şi producând radiaţie. Poate produce orice tip de radiaţie, de la unde radio de mică putere la raze X, de mare putere. În cazurile extreme, radiaţia din nucleu este singura caracteristică dominantă a unei galaxii, numită „galaxie activă”.

Calea Lactee – un oraş de lumini

Văzută de pe Pământ, Calea Lactee pare o bandă strălucitoare de mii de stele, care a captivat imaginaţia oamenilor încă din cele mai vechi timpuri.  Soarele este una din cele aproximativ 100 de miliarde de stele care alcătuiesc această galaxie spirală care a început să se formeze în urmă cu 13,5 miliarde de ani.

Cu o masă de aproximativ 3 milioane de mase solare, o gaură neagră supermasivă ocupă centrul Căii Lactee, înconjurată de o aglomerare densă de stele. Discul galactic conţine  stelele mai tinere şi deci, mai strălucitoare care formează braţe spirale, în jurul protuberanţei centrale şi sunt încadrate de un halou sferic, cu aproximativ 200 de roiuri globulare. Acest halou ar putea fi înconjurat de un halou întunecat, numit coroana galactică. Braţele spirale principale poartă numele constelaţiei în care sunt cel mai mult vizibile. Braţul cel mai strălucitor este cel din Sagittarius, dincolo de care se află nucleul galactic. Sistemul Solar se găseşte aproape de marginea interioară a braţului Orion.

Galaxia se roteşte diferenţiat – cu cât obiectele sunt mai aproape de centrul ei, cu atât perioada de revoluţie este mai mică. Soarele se roteşte în jurul centrului galactic cu ≈ 800 000 km/h şi îşi parcurge orbita în 225 de milioanae de ani.

Stelele din Calea Lactee sunt clasificate în două grupuri, numite populaţii, pe baza vârstei lor şi a compoziţiei lor chimice. Populaţia I este formată din cele mai tinere stele, bogate în elemente grele şi formate din materiale expulzate de stelele existente. Aceste stele se găsesc în discul galactic, unde există foarte mult material din care se formează stele.

Stelele din populaţia a II-a sunt mai bătrâne şi sărace în metale. Se găsesc în halou şi în protuberanţa centrală, unde materialele din care se formează stelele au fost epuizate şi nu se mai formează stele noi.

Din masa Căii Lactee doar 10 % reprezintă mediu interstelar – hidrogen în diferite stări şi particule de praf şi este concentrat în discul galactic. În mediul interstelar  temperatura variază foarte mult. În cele mai reci regiuni temperatura are o valoare de aproximativ -260⁰C, iar hidrogenul există sub formă de nori de molecule unde se formează stele. Există, de asemenea, nori de hidrogen neutru (regiuni HI), unde temperaturile variază între -170⁰C şi 730⁰C, şi zone de hidrogen ionizat încălzit de stele (regiuni HII), cu temperaturi de ≈ 10 000⁰C.

Particulele de praf reprezintă aproximativ 1% din masa galaxiei şi se găsesc peste tot în mediul interstelar. Cele mai multe sunt granule solide mici, cu diametrul de la 0,01 la 0,1 microni, formate din carbon, silicaţi sau fier şi acoperite cu gheaţă de apă şi amoniac sau bioxid de carbon solid.

Restul de 90% din masa Căii Lactee este reprezentat de misterioasa materie neagră. Aceasta ar putea fi formată  din obiecte cu luminozitate mică, ca, de exemplu, stele pitice maro şi găuri negre, dar se crede că, în cea mai mare parte, este formată din particule neobişnuite, a căror natură nu a fost încă descoperită.

Distanţa retrospectivă

Expansiunea Universului complică exprimarea distanţelor până la obiectele cosmice foarte îndepărtate.

Când astronomii descriu distanţa până la obiecte atât de îndepărtate, folosesc distanţa „retrospectivă” sau „de călătorie a luminii”. Aceasta este distanţa parcursă de lumină prin Spaţiu pentru a ajunge la noi şi ne spune cu cât timp în urmă lumina a părăsit obiectul respectiv. Dar, pentru că Spaţiul s-a extins între timp, distanţa la care galaxia se afla când lumina şi-a început călătoria spre Pământ este mai mică decât distanţa retrospectivă.

De fapt, distanţa reală până la obiectul îndepărtat (distanţa comobilă) este mai mare decât distanţa retrospectivă. Fotografia de alăturată arată explicaţiile anterioare. În prima imagine, un foton de lumină a fost emis de Galaxia Z acum 11 miliarde ani şi a pornit spre Calea Lactee. Cele 2 galaxii se află la o distanţă de 4 miliarde ani-lumină. A doua imagine este surprinsă după şase miliarde de ani. Fotonul nu a ajuns încă la destinaţie, pentru că Spaţiul s-a extins, făcând galaxiile să se îndepărteze mai mult. În ultima imagine, fotonul ajunge la Calea Lactee, unde un observator vede galaxia Z aşa cum era în urmă cu 11 miliarde de ani (distanţa retrospectivă). Între timp, distanţa adevărată (comobilă) a crescut la 18 miliarde de ani-lumină.

Edwin Hubble

Astronomul american Edwin Hubble a trăit între 1889 şi 1953 şi a ajuns celebru prin descoperirea sa, conform căreia Universul se află în extindere. El a demonstrat că există o relaţie directă între vitezele de recensie ale galaxiilor îndepărtate şi distanţele la care se află acestea faţă de Pământ, relaţie numită legea lui Hubble.

Hubble este renumit şi pentru dovedirea faptului că galaxiile se află în exteriorul Căii Lactee şi pentru sistemul său de clasificare a galaxiilor.

Telescopul spaţial Hubble şi constanta Hubble au fost numite în onoarea lui.

Timpul şi expansiunea Spaţiului

Lumina emisă de o galaxie îndepărtată a ajuns la Pământ după miliarde de ani. Astronomii văd galaxia aşa cum era miliarde de ani. Cu cât ei privesc mai departe în Spaţiu, cu atât se apropie de începuturile istoriei Universului.

În cele mai îndepărate regiuni se văd doar galaxii incomplet formate, aşa cum arătau după Big Bang. Cele mai palide şi mai îndepărtate galaxii se îndepărtează de Pământ cu viteze apropiate de viteza luminii (300 000 km/s). La distanţe şi mai mari, dincolo de Universul observabil, ar exista alte obiecte cosmice care s-au îndepărtat atât de repede, încât lumina emisă nu a ajuns niciodată la Pământ.

Cu cât se extinde Spaţiul?

Viteza de expansiune a Universului poate fi calculată comparând distanţele până la galaxiile îndepărtate şi vitezele cu care ele continuă să se îndepărteze. Vitezele galaxiilor sunt măsurate analizând deplasarea către roşu a spectrelor lor de lumină. Distanţele sunt calculate detectând în galaxii o categorie de stele variabile, numite cefeide, şi,  măsurând ciclurile de variaţie a magnitudinilor acestora.

Rezultatul este un număr numit constanta lui Hubble – o expresie a vitezei de expansiune constante a Universului. Valoarea ei actuală este de aproximativ 80 000 km/h (mai exact  71 000 ± 2.5 km/h). Aceasta înseamnă că, de exemplu, două galaxii situate la o distanţă de un miliard de ani-lumină se îndepărtează una de alta cu o viteză de 80 de milioane de km/h. La o scară temporală este, de fapt, o expansiune foarte lentă – distanţa dintre galaxii creşte cu 1% în zeci de milioane de ani.

Gravitaţia este mai puternică decât expansiunea cosmologică şi ţine materia laolaltă. Galaxiile nu se îndepărtează una de alta. Ele vor continua so se ciocnească, (ca cele din imaginea de deasupra), în ciuda expansiunii Cosmosului. Roiurile de galaxii sunt ţinute laolaltă de gravitaţie.

Cosmologii estimează că peste 3-5 miliarde de ani galaxia noastră, Calea Lactee se va ciocni cu cea mai apropiată galaxie – Andromeda. De fapt, chiar în acest moment Andromeda se apropie de noi cu o viteză relativă  de 130 lm/s. În imaginea alăturată se poate observa coliziunea ipotetică a celor două galaxii spirale, în acest unghi relativ.

Roiuri de Galaxii

Galaxiile formează, datorită gravitaţiei, roiuri cu 20 până la câteva mii de galaxii şi cu un diametru de la 3 la 30 de milioane de ani-lumină. În imaginea alăturată este Grupul Compact Hickson, putându-se observa o galaxie spirală văzută din faţă în centrul imaginii, două galaxii spirale oblice şi o galaxie eliptică în dreapta jos.

Unele roiuri au un nucleu central concentrat şi o structură sferică bine definită, altele au o formă şi o structură neregulate. Roiul din care face parte galaxia noastră se numeşte  Grupul Local. Cel mai apropiat roi de galaxii, aflat la numai 50 de milioane ani-lumină, este Virgo, fiind mare şi neregulat.

Lanţuri de aproximativ 12 roiuri sunt ţinute laolaltă de forţe gravitaţionale mai slabe şi formează superroiuri, de până la 200 de milioane ani-lumină. Superroiurile sunt aranjate în structuri plane şi filamente mari, separate de goluri cu diametrul de aproximativ 100 de milioane ani-lumină.

Abel 1689, aflat la 2.2 miliarde ani-lumină de Pământ,  este unul din cele mai mari roiuri de galaxii.

Galaxiile

În partea observabilă a Universului se făsesc peste 100 de miliarde de galaxii. Acestea au dimensiuni diferite, de la galaxii pitice, cu un diametru de câteva sute de ani-lumină şi câteva milioane de stele, la galaxii gigantice, având un diametru de mai multe sute de mii de ani-lumină şi câteva trilioane de stele.

Pe lângă stele, galaxiile conţin nori de gaz, praf şi materie neagră, ţinute laolaltă de gravitaţie. Galaxiile pot avea una din formele :

– spirală –  în imaginea alăturată se poate observa galaxia spirală M81. Sunt    evidenţiate praful din nucleul galactic şi braţele ei spirale.

– spirală barată – în imagine este NGC1530. Braţele spirale radiază de la capetele structurii centrale (de forma unei bare), nu din  nucleu.

– eliptică –  de la formă sferică, la forma mingii de rugby, ca şi galaxia ESO 325-G004.

– lenticulară – de forma unei lentile. De exemplu, galaxia Ngc5866.

– neregulată – de exemplu, NGC 1427A – galaxia din imagine.