Почему галактики сталкиваются?

Если вселенная расширяется наружу, каковы процессы для одной галактики, чтобы сойти с пути достаточно, чтобы столкнуться с другой?

Скажем, Галактика Андромеды и Млечный Путь.

Вселенная расширяется в больших масштабах. Но на местах все всегда грязно.

Локально, галактики не установлены в камне, они движутся относительно друг друга, и направления случайны. Если они движутся навстречу друг другу достаточно быстро, то они столкнутся.

Также есть гравитация. Некоторые галактики связаны друг с другом под действием силы тяжести, и это приводит к их сближению.

Относительно того, почему галактики движутся вообще относительно друг друга - ну, у вещей в этой вселенной есть кинетическая энергия, и это распределено случайно. При случайном распределении возможны всевозможные сценарии - вещи, убегающие друг от друга, скользящие мимо друг друга, сталкивающиеся друг с другом и т. Д.

Это беспорядочная и случайная вселенная, и порядок расширения становится очевидным только в самых больших масштабах.

Галактики на самом деле не сбиваются с пути - это не невозможно, но такого рода вещи, вероятно, больше не происходят (поскольку пространство продолжает расширяться). На самом деле происходит то, что галактики образуют гравитационно связанные кластеры - внутри кластера ускорение под действием силы тяжести больше, чем эквивалентное расширение пространства между галактиками, поэтому вместо того, чтобы становиться более отдаленными, рассматриваемые галактики со временем сближаются. В конечном итоге это приводит к столкновению и слиянию.

Если расширение останется примерно постоянным, наступит момент, когда мы больше не сможем видеть галактики за пределами нашего скопления. Но для тех, кто достаточно близок, это не имеет большого эффекта - точно так же, как расширение пространства не приводит к увеличению атомов, планет, солнечных систем или галактик.

Я не уверен, что кто-то ответил на заданный вопрос. Основная причина заключается в том, что гравитационно связанные структуры со шкалами времени свободного падения, которые намного короче, чем возраст вселенной, не сильно подвержены влиянию общего расширения вселенной (NB. Структуры со шкалами времени свободного падения, превышающими эту, не будут источником из многих столкновений галактик). То есть локально расширение внутри таких структур незначительно. Однако это не обязательно приводит к столкновениям в масштабе времени, меньшем, чем возраст вселенной.

Первая причина столкновений галактик состоит в том, что скопления галактик имеют очень большую числовую плотность, то есть расстояние между галактиками не намного больше, чем «размер» галактики, где здесь «размер» означает эффективное сечение взаимодействия радиус. В результате этих высоких плотностей динамические временные шкалы свободного падения в богатых скоплениях (и даже в небольших группах галактик) составляют порядка миллиардов лет, и поэтому у галактик достаточно времени для взаимодействия. В отличие от этого, подумайте о том, как вы могли бы построить масштабную модель звезд в локальной окрестности и сравнить размеры звезд с их разнесениями. На самом деле было бы трудно создать такую ​​масштабную модель с любыми значащими по размеру звездами. С другой стороны, вы можете$\sim 10$

Вторая причина заключается в том, что многие галактики содержат газ, и этот газ может легко рассеивать кинетическую энергию, а также передавать момент импульса. Другим фактором является то, что массивные скопления галактик содержат внутрикластерный газ, который также может служить для рассеивания кинетической энергии. В гравитационно связанной системе объекты, находящиеся на орбите вокруг друг друга или вокруг общего центра масс, нуждаются в способах потери кинетической энергии и углового момента для того, чтобы произошло столкновение. Даже без газа тот факт, что галактики существуют в группах и скоплениях, означает, что взаимодействия n-тела могут служить для рассеивания энергии и углового момента, чтобы вызвать столкновение.

Галактики не сбиваются с пути - чтобы увидеть, как происходят столкновения, нам нужно вернуться к образованию галактик на ранней стадии.

Итак, Большой взрыв случается. Пространство начинает расширяться - резко и в огромной степени. Это пространство само расширяется, а не галактики, движущиеся в пространстве, кстати, сами расстояния меняются. (Вот почему это называется «метрическим» расширением, метрика - это термин для мер расстояния, а также почему космологи говорят, что Большой Взрыв произошел «везде»).

В крошечные доли секунды, массивное расширение уменьшается. Пространство продолжает расширяться, но гораздо медленнее. Последняя из фундаментальных сил отрывается, и космос остается как безумно горячая плотная смесь, настолько горячая, что даже основные частицы, такие как протоны, нейтроны и электроны, еще не могут существовать - хотя кварки могут.

Но происходят некоторые очень тонкие вещи. Даже несмотря на то, что расширение оставило нас с невероятно однородной, однородной вселенной, плотность действительно меняется в разных местах. По мере того, как вещи охлаждаются, и частицы начинают конденсироваться (и уничтожать, и другие вещи), во Вселенной остаются то, что космологи называют акустическими волнами - в основном стоячие волны. И если вы когда-либо видели видео с вибрирующим лотком с песком , вы будете знать, что одним из эффектов является то, что он оставляет в некоторых местах больше песка, а в некоторых - меньше, из-за помех. Таким образом, наша вселенная заканчивается, поскольку она расширяется, некоторые области более плотные, а некоторые менее плотные.

Второй эффект вступает в игру. Вы узнаете (или слышали о) темную материю. Мы не знаем, из чего он сделан, но мы знаем, что он существует (без него галактики не могли бы сформироваться, они бы разлетелись или заняли бы больше, чем возраст вселенной), и мы знаем много о том, как он ведет себя - какие силы он реагирует, а какие нет. Взаимодействовать через гравитацию - да, очень слабо. Взаимодействовать с помощью электромагнитной силы - нет, совсем нет. Этот последний бит имеет решающее значение.

Когда «обычное» вещество разрушается, оно нагревается. Вот как мы получаем звезды, например. Излучение, выделяемое во время коллапса, также действует как своего рода давление, противодействующее коллапсу, замедляющее его. Вот почему звезды, подобные нашему солнцу, стабильны так долго. Темная материя не взаимодействует электромагнитно (насколько нам известно), поэтому она не может испытывать или создавать электромагнитное излучение. Поэтому, когда он разрушается, он не нагревается, он не выделяет радиацию ... Я думаю, вы можете видеть, куда это идет. Во время коллапса нет излучения, которое могло бы противостоять дальнейшему коллапсу, поэтому он может разрушиться гораздо быстрее, чем обычное вещество . В сторону, потому чтоон не может испускать излучение, он также не может выбросить энергию, от которой нужно избавиться, чтобы образовались плотные объекты. Таким образом, в конечном итоге он быстро падает, превращаясь в туманное диффузное «ореол», но затем не может рухнуть намного больше. И неудивительно, что он разрушается в тех местах, где вселенная была немного плотнее. Таким образом, вы получите то, что космологи называют «нити» и «гало» темной материи, немного похожее на губку или швейцарский сыр, с относительными «пустотами», разделяющими их. Обычная материя сильнее притягивается к этим уже существующим филаментам и ореолам темной материи. Это рушится к ним. Самогравитация обычной материи усиливается гравитацией из-за концентрации там темной материи - и обычная материя может теряет энергию из-за излучения, поэтому она разрушается сильнее, чем темная материя, образуя галактики и их содержимое, которое мы можем видеть сегодня.

Гравитация может сделать это, потому что расширение вселенной к настоящему времени настолько сильно замедлилось от своего «расцвета», что гравитация может сблизить часть вещества в пространстве быстрее, чем расширение может добавить пространство между ними . На космических расстояниях гравитация намного слабее, и доминирует расширение, поэтому скопления и сверхскопления все еще раздвигаются, но внутри скоплений галактики и группы галактик ускоряются под действием силы тяжести, так что они в основном остаются в своих группах и скоплениях и перемещаются вокруг или орбита внутри них.

Таким образом, мы получаем вселенную, в космическом масштабе мы видим расширение, "выигрывающее", поскольку гравитация слаба, поэтому мы видим, как сверхскопления раздвигаются. Но внутри скоплений и групп галактик мы видим, что гравитация «выигрывает», потому что она сильнее на меньших расстояниях, поэтому скопления и гравитационно связанные объекты, такие как галактики, остаются вместе.

Это, в свою очередь, означает, что галактики и группы галактик связаны гравитацией больше, чем они разделены расширением. Таким образом, они продолжают двигаться в своих кластерах и группах, несмотря на универсальное расширение. И, иногда, поскольку движение 3 или более отдельных тел под действием силы тяжести хаотично (а скопления могут содержать миллиарды или триллионы галактик), целые галактики будут выбрасываться или сталкиваться, или делать то, что делают галактики. И вот как это происходит.

(Хотя вы не спрашивали, это естественный вопрос, чтобы задаться вопросом, что будет дальше. Мы считаем, что скорость расширения медленно ускорилась. Это означает, что в далеком будущем (десятки и сотни миллиардов лет), что галактики будут должны быть еще ближе друг к другу, чтобы гравитация доминировала над расширением. Таким образом, кластеры, которые сейчас стабильны, могут распасться в далеком будущем. Если расширение ускорится достаточно, тогда в конечном итоге могут распасться даже более мелкие тела, возможно, сами галактики, или даже звезды и атомы Но это то, что никто не знает.)

$70 km.s^{-1}Mpc^{-1}$$70 km.s^{-1}$$110 km.s^{-1}$$70 km.s^{-1}$

Хотя Вселенная расширяется и, в общем, чем дальше галактика от нас, тем быстрее она, кажется, удаляется от нас. Это не относится к галактикам в Местной Группе. которая является гравитационно связанной структурой. Галактика Андромеды движется в направлении Млечного пути со скоростью около 400 000 км / ч, и ожидается, что Млечный путь и Андромеда столкнутся примерно через 4 миллиарда лет. Когда это произойдет, будет сформирована большая новая единая галактика. Новая галактика, которая будет образована в результате слияния, иногда называется Милкомеда. Для более подробной информации смотрите мой недавний пост в блоге на эту тему.

В течение миллиардов лет Милкомеда будет постепенно поглощать других членов Местной группы.

В общем, любая гравитационно связанная структура, такая как: звездные системы (например, солнечная система), наша галактика, а также группы и скопления галактик не будут увеличиваться по мере расширения Вселенной).