Чому галактики стикаються?

Якщо Всесвіт розширюється назовні, які процеси для того, щоб одна галактика вийшла з колії достатньо, щоб зіткнутися з іншою?

Скажімо, Галактика Андромеда і Чумацький Шлях.

Всесвіт розширюється у великих масштабах. Але на місцях речі завжди безладні.

Місцево галактики не встановлені в камені, вони рухаються відносно один одного, а напрямки - випадкові. Якщо вони рухаються назустріч один одному досить швидко, вони зіткнуться.

Також є гравітація. Деякі галактики пов'язані між собою гравітацією, і це буде, як правило, об'єднувати їх.

Щодо того, чому галактики взагалі рухаються відносно один одного - ну, речі у цьому Всесвіті мають кінетичну енергію, і вона розподіляється випадковим чином. Поширюючись випадковим чином, можливі всілякі сценарії - речі, що тікають один від одного, просуваються один за одним, натикаються один на одного тощо

Це безладний і випадковий всесвіт, і порядок розширення стає очевидним лише в найбільших масштабах.

Галактики насправді не виходять з колії - це не неможливо, але такого речі, ймовірно, більше не відбувається (оскільки простір продовжує розширюватися). Що насправді відбувається, це те, що галактики утворюють гравітаційно пов'язані скупчення - всередині кластеру прискорення за рахунок сили тяжіння більше, ніж еквівалентне розширення простору між галактиками, тому, ніж рости більш віддаленими, ці галактики фактично зближуються з часом. Врешті-решт це призводить до зіткнення та злиття.

Якщо розширення залишатиметься приблизно постійним, настане момент, коли ми більше не зможемо побачити галактик поза власним кластером. Але для тих, хто досить близький, це мало впливає - так само, як розширення простору не призводить до збільшення атомів, планет, сонячних систем або галактик.

Я не впевнений, що хтось відповів на поставлене запитання. Першопричиною справді є те, що гравітаційно пов'язані структури зі строками вільного падіння, які значно коротші за вік Всесвіту, не сильно впливають на загальне розширення Всесвіту (Примітка. Структури з часовими шкалами вільного падіння довше, ніж це не буде джерелом багатьох зіткнень галактик). Тобто, локально, розширення в межах таких структур незначне. Однак це не обов'язково призводить до зіткнень на часовій шкалі, коротші за вік Всесвіту.

Перша причина зіткнень галактик полягає в тому, що кластери галактик мають дуже велику щільність чисельності - тобто відстань між галактиками не набагато більше, ніж "розмір" галактики, де тут "розмір" означає ефективний поперечний переріз взаємодії радіус. Внаслідок цих високих густин динамічні часові шкали вільного падіння в багатих скупченнях (і навіть менших групах галактик) наближаються до мільярдів років, і тому галактики мають багато часу для взаємодії. На противагу цьому, подумайте, як ви могли б побудувати масштабну модель зірок у місцевому мікрорайоні та порівняйте розміри зірок з їх поділами. Фактично було б складно зробити таку масштабну модель з будь-якими значущими розмірами зірок. З іншого боку, можна$\sim 10$

Друга причина полягає в тому, що багато галактик містять газ і що газ може легко розсіювати кінетичну енергію, а також передавати імпульс імпульсу. Інший фактор полягає в тому, що масивні скупчення галактик містять внутрішньокластерний газ, який також може служити для розсіювання кінетичної енергії. У гравітаційно пов'язаній системі об'єкти, які перебувають на орбіті навколо один одного або навколо загального центру маси, потребують способів, за якими кінетична енергія та імпульс можуть бути втрачені для того, щоб відбулося зіткнення. Навіть без газу той факт, що галактики існують у групах і кластерах, означає, що взаємодія n-тіла може служити для розсіювання енергії та імпульсу кута, щоб зробити зіткнення.

Галактики не виходять "з колії" - щоб побачити, як трапляються зіткнення, нам потрібно повернутися прямо до утворення галактик.

Отже, трапляється Великий вибух. Простір починає розширюватися - різко і величезно. Це сам простір, який розширюється, а не галактики, що рухаються всередині простору, до речі - самі відстані змінюються. (Ось чому його називають "метричним" розширенням; метрика є терміном дистанційних заходів, а також чому космологи кажуть, що Великий вибух стався "всюди").

З деякою крихітною часткою секунди масивна експансія звивається. Простір продовжує розширюватися, але зі значно повільнішими темпами. Остання з основних сил відривається, і космос залишається як шалено гаряча щільна суміш, настільки гаряча, що навіть основні частинки, такі як протони, нейтрони та електрони, ще не можуть існувати, хоча кварки можуть.

Але відбуваються деякі дуже тонкі речі. Незважаючи на те, що розширення залишило нам неймовірно рівномірний, однорідний всесвіт, щільність вкрай різниться між місцями. Коли речі охолоджуються, і частинки починають конденсуватися (і знищуються, і інші речі), у Всесвіті залишається те, що космологи називають акустичними хвилями - в основному стоячими хвилями. І якщо ви коли-небудь бачили відео, на якому вібрація лотка з піском вібрує , ви знатимете, що одним із ефектів є те, що в деяких місцях залишається більше піску, в деяких - менше, через перешкоди. Отже наш Всесвіт закінчується, коли він розширюється, де деякі області щільніші, а інші менш щільні.

Другий ефект вступає в гру. Ви будете знати (або чули про) темну матерію. Ми не знаємо, з чого вона складається, але ми знаємо, що вона існує (галактики не могли сформуватися без неї; вони розлетяться або пройдуть довше, ніж вік Всесвіту), і ми знаємо багато про те, як він поводиться - на які сили він реагує, і які сили не робить. Взаємодіяти через гравітацію - так, дуже слабо. Взаємодіяти електромагнітною силою - ні, зовсім не. Цей останній біт є вирішальним.

Коли «звичайна» матерія руйнується, вона нагрівається. Ось так ми отримуємо, наприклад, зірки. Випромінювання, що виділяється під час колапсу, також виступає як своєрідний тиск, протиставляючи колапсу, уповільнюючи його. Ось чому такі зірки, як наше сонце, стабільні так довго. Темна матерія не взаємодіє електромагнітно (наскільки ми знаємо), тому вона не може відчувати або створювати електромагнітне випромінювання. Тож коли він руйнується, він не нагрівається, не випускає радіацію ... Я думаю, ви можете бачити, куди це йде. Під час колапсу випромінювання не виділяється, щоб протистояти подальшому колапсу, тому воно може руйнуватися набагато швидше, ніж звичайна речовина . Як осторонь, тому щовін не може випускати випромінювання, він також не може вирвати енергію, якої потрібно позбутися, щоб дозволити утворюватися щільні предмети. Таким чином, це в кінцевому підсумку швидко руйнується до туманного дифузного "ореолу", але потім не може розвалитися набагато більше. І не дивно, що він руйнується в тих місцях, де Всесвіт був дрібно щільнішим. Таким чином, ви отримуєте те, що космологи називають «нитками» та «ореолами» темної матерії, трохи схожими на губку чи швейцарський сир, із порівняльними «порожнечами», що розділяють їх. Звичайна матерія сильніше приваблює ці вже існуючі нитки темної матерії та ореоли. Це руйнується до них. Самогравітація звичайної матерії посилюється гравітацією завдяки концентрації там темної речовини - і звичайна матерія може втрачають енергію випромінюванням, тому вона руйнується більше, ніж робить темна матерія, утворюючи галактики та їх вміст, які ми можемо побачити сьогодні.

Гравітація може це зробити, тому що розширення Всесвіту на сьогодні настільки сповільнилося з його "розквіту", що гравітація може витягнути частину речовини разом у космос швидше, ніж розширення може додати простір між ними . На космічних відстанях гравітація набагато слабшає, і розширення домінує, тому кластери і суперкластери все ще рухаються один від одного, але всередині кластерів галактики і групи галактик прискорюються гравітацією достатньо, щоб вони в основному залишалися в своїх групах і скупченнях і рухалися навколо або орбіти всередині них.

Таким чином, ми закінчуємо всесвіт, що в космічному масштабі ми бачимо розширення "виграшного", оскільки гравітація слабка, тому ми бачимо, як суперклістери рухаються один від одного. Але всередині кластерів та груп галактик ми бачимо, що сила тяжіння "виграє", оскільки вона сильніша на менших відстанях, тому скупчення та гравітаційно пов'язані сутності, як галактики, залишаються разом.

Це в свою чергу означає, що галактики та групи галактик пов'язані гравітацією більше, ніж вони розділені розширенням. Таким чином, вони залишаються рухаються всередині своїх кластерів та груп, незважаючи на загальне розширення. І іноді, оскільки рух 3 і більше окремих тіл під дією сили тяжіння хаотичний (а скупчення можуть містити мільярди або трильйони галактик), цілі галактики будуть викидатися або стикатися або робити все, що роблять галактики. І ось так буває.

(Хоча ви не запитували, це природне питання, що цікаво, що буде далі. Ми вважаємо, що швидкість розширення повільно зросла. Це означає, що в далекому майбутньому (десятки і сотні мільярдів років) ці галактики будуть повинні бути ще ближче один до одного, щоб гравітація домінувала над розширенням. Отже, кластери, стабільні зараз, можуть розпастися в далекому майбутньому. Якщо розширення досить прискориться, то навіть менші тіла можуть врешті-решт розпатися, можливо, самі галактики або навіть зірки та атоми . Але це те, про що ніхто не знає.)

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

Хоча Всесвіт розширюється і, загалом, чим далі від нас галактика тим швидше здається, що вона віддаляється від нас. Це не стосується галактик в локальній групі. яка є гравітаційно пов'язаною структурою. Галактика Андромеда рухається у напрямку Чумацького Шляху зі швидкістю 400 000 км / год, а Чумацький Шлях та Андромеда, як очікується, зіткнуться приблизно за 4 мільярди років. Коли це станеться, буде сформована велика нова одиночна галактика. Новій галактиці, яка утвориться при злитті, іноді дають назву Мілкомеда. Детальніше див моєму недавньому дописі на цю тему.

Протягом мільярдів років Мілкомеда поступово поглинатиме інших членів Місцевої групи.

Взагалі будь-яка гравітаційно пов'язана структура, наприклад: зоряні системи (наприклад, Сонячна система), наша галактика, групи та скупчення галактик не збільшуватимуться у міру розширення Всесвіту)