Mengapa galaksi bertabrakan?

Jika alam semesta mengembang ke luar, bagaimana proses satu galaksi untuk keluar jalur cukup untuk bertabrakan dengan galaksi lain?

Katakanlah, Galaksi Andromeda dan Bima Sakti.

Alam semesta mengembang dalam skala besar. Tetapi hal-hal lokal selalu berantakan.

Secara lokal, galaksi tidak diatur dalam batu, mereka bergerak relatif satu sama lain, dan arahnya acak. Jika mereka bergerak ke arah satu sama lain dengan cukup cepat, maka mereka akan bertabrakan.

Juga, ada gravitasi. Beberapa galaksi terikat satu sama lain oleh gravitasi, dan itu akan cenderung menyatukannya.

Mengenai mengapa galaksi bergerak sama sekali, relatif satu sama lain - well, benda-benda di alam semesta ini memiliki energi kinetik, dan terdistribusi secara acak. Disebarkan secara acak, semua jenis skenario dimungkinkan - hal-hal saling menjauh, memperbesar melewati satu sama lain, menabrak satu sama lain, dll.

Ini adalah alam semesta yang acak dan acak, dan urutan ekspansi menjadi jelas hanya pada skala terbesar.

Galaksi tidak benar-benar keluar dari jalurnya - itu bukan tidak mungkin, tetapi hal semacam itu mungkin tidak terjadi lagi (karena ruang terus berkembang). Apa yang sebenarnya terjadi adalah bahwa galaksi membentuk gugus yang terikat secara gravitasi - di dalam gugus, percepatan akibat gravitasi lebih besar daripada ekspansi ruang yang setara antara galaksi, jadi alih-alih tumbuh lebih jauh, galaksi-galaksi yang dipermasalahkan justru semakin berdekatan bersama seiring waktu. Akhirnya, ini menghasilkan tabrakan dan merger.

Jika ekspansi tetap konstan, akan tiba titik di mana kita tidak akan lagi dapat melihat galaksi di luar cluster kita sendiri. Tetapi bagi mereka yang cukup dekat, ini memiliki sedikit efek - sama seperti perluasan ruang tidak menyebabkan atom, planet, tata surya atau galaksi menjadi lebih besar.

Saya tidak yakin ada yang menjawab pertanyaan yang diajukan. Akar penyebabnya adalah bahwa struktur yang terikat secara gravitasi dengan rentang waktu terjun bebas yang jauh lebih pendek daripada usia alam semesta tidak terlalu terpengaruh oleh ekspansi umum alam semesta (NB: Struktur dengan rentang waktu terjun bebas lebih lama daripada ini tidak akan menjadi sumbernya) banyak tabrakan galaksi). Artinya, secara lokal, ekspansi dalam struktur seperti itu dapat diabaikan. Namun, itu tidak selalu menyebabkan tabrakan pada skala waktu yang lebih pendek dari usia alam semesta.

Alasan pertama untuk tabrakan galaksi adalah bahwa gugusan galaksi memiliki kepadatan jumlah yang sangat besar - yaitu, jarak antar galaksi tidak jauh lebih besar dari "ukuran" galaksi, di mana di sini, "ukuran" berarti interaksi yang efektif lintas bagian. radius. Sebagai hasil dari kepadatan tinggi ini, rentang waktu dinamika terjun bebas dalam kelompok kaya (dan bahkan kelompok galaksi yang lebih kecil) adalah urutan miliaran tahun sehingga ada banyak waktu bagi galaksi untuk berinteraksi. Sebagai kontras, pikirkan bagaimana Anda dapat membangun model skala bintang di lingkungan setempat dan membandingkan ukuran bintang dengan pemisahannya. Sebenarnya akan sulit untuk membuat model skala seperti itu dengan bintang berukuran besar. Di sisi lain, kamu bisa$\sim 10$

Alasan kedua adalah bahwa banyak galaksi mengandung gas dan gas itu dapat dengan mudah menghilangkan energi kinetik dan juga mentransfer momentum sudut. Faktor lain adalah bahwa gugusan galaksi yang besar mengandung gas intracluster yang juga dapat berfungsi untuk menghilangkan energi kinetik. Dalam sistem yang terikat secara gravitasi, maka benda-benda yang berada di orbit di sekitar satu sama lain atau di sekitar pusat massa yang sama membutuhkan cara di mana energi kinetik dan momentum sudut dapat hilang agar tabrakan dapat terjadi. Bahkan tanpa gas, fakta bahwa galaksi ada dalam kelompok dan kelompok berarti bahwa interaksi n-tubuh dapat berfungsi untuk menghilangkan energi dan momentum sudut untuk membuat tabrakan terjadi.

Galaksi tidak keluar dari jalurnya - untuk melihat bagaimana tabrakan terjadi, kita harus kembali ke formasi galaksi sejak dini.

Jadi, Big Bang terjadi. Ruang mulai berkembang - secara dramatis dan sangat luas. Itu ruang itu sendiri berkembang, bukan galaksi bergerak di dalam ruang, by the way - jarak itu sendiri berubah. (Itulah sebabnya itu disebut ekspansi "metrik", metrik menjadi istilah untuk pengukuran jarak, dan juga mengapa kosmolog mengatakan Big Bang terjadi "di mana-mana").

Pada sepersekian detik, ekspansi besar berakhir. Ruang terus berkembang, tetapi pada tingkat yang jauh lebih lambat. Yang terakhir dari gaya-gaya fundamental pecah, dan kosmos dibiarkan sebagai campuran padat yang sangat panas, begitu panas sehingga bahkan partikel-partikel dasar seperti proton, neutron, dan elektron belum dapat ada - walaupun quark bisa.

Tetapi ada beberapa hal yang sangat halus terjadi. Meskipun ekspansi meninggalkan kita dengan alam semesta yang sangat seragam dan homogen, kepadatannya sedikit berbeda di setiap tempat. Ketika segalanya mendingin, dan partikel-partikel mulai mengembun (dan memusnahkan, dan hal-hal lainnya), alam semesta dibiarkan dengan apa yang oleh para kosmolog disebut gelombang akustik - pada dasarnya gelombang berdiri. Dan jika Anda pernah melihat video nampan pasir yang bergetar , Anda akan tahu bahwa satu efeknya adalah ia meninggalkan beberapa tempat dengan lebih banyak pasir, beberapa dengan lebih sedikit, karena pola interferensi. Jadi alam semesta kita berakhir, saat mengembang, dengan beberapa daerah lebih padat, beberapa kurang padat.

Efek kedua ikut bermain. Anda akan tahu (atau pernah mendengar) materi gelap. Kita tidak tahu terbuat dari apa, tapi kita tahu itu ada (galaksi tidak dapat terbentuk tanpanya, mereka akan terbang terpisah atau membutuhkan waktu lebih lama dari usia alam semesta untuk terbentuk), dan kita tahu banyak tentang bagaimana berperilaku - kekuatan apa yang ditanggapinya, dan apa yang tidak dipaksa. Berinteraksi melalui gravitasi - ya, sangat lemah. Berinteraksi melalui gaya elektromagnetik - tidak, tidak sama sekali. Yang terakhir ini sangat penting.

Ketika materi "biasa" runtuh, itu memanas. Begitulah cara kita mendapatkan bintang, misalnya. Radiasi yang dilepaskan selama keruntuhan juga bertindak sebagai semacam tekanan, menentang keruntuhan, memperlambatnya. Itu sebabnya bintang seperti matahari kita stabil untuk waktu yang lama. Materi gelap tidak berinteraksi secara elektromagnetik (sejauh yang kita tahu) sehingga tidak dapat mengalami atau menciptakan radiasi elektromagnetik. Jadi ketika itu runtuh, itu tidak menjadi panas, itu tidak melepaskan radiasi ... Saya pikir Anda bisa melihat ke mana arahnya. Tidak ada radiasi yang dilepaskan saat runtuh untuk menahan keruntuhan lebih lanjut, sehingga ia bisa runtuh lebih cepat dari materi biasa . Selain itu, karenatidak bisa melepaskan radiasi, juga tidak bisa membuang energi yang harus dihilangkan untuk memungkinkan benda padat terbentuk. Jadi itu berakhir dengan cepat runtuh menjadi "lingkaran cahaya" kabur, tetapi kemudian tidak bisa runtuh lebih banyak. Dan tidak mengherankan, ia runtuh di tempat-tempat di mana alam semesta fraksional lebih padat. Jadi Anda mendapatkan apa yang oleh para ahli kosmologi disebut "filamen" dan "lingkaran cahaya" materi gelap, sedikit seperti spons atau keju swiss, dengan "rongga" komparatif yang memisahkannya. Materi biasa lebih kuat tertarik pada filamen dan lingkaran cahaya materi gelap yang sudah ada. Itu runtuh ke arah mereka. Gravitasi diri dari materi biasa ditingkatkan oleh gravitasi karena konsentrasi materi gelap di sana - dan materi biasa dapat kehilangan energi oleh radiasi, sehingga ia runtuh lebih dari materi gelap, untuk membentuk galaksi dan isinya yang dapat kita lihat hari ini.

Gravitasi dapat melakukan ini, karena ekspansi alam semesta sekarang telah melambat begitu banyak dari "masa kejayaannya", sehingga gravitasi dapat menarik beberapa materi bersama - sama di dalam ruang lebih cepat daripada ekspansi yang dapat menambah ruang di antara mereka . Dari jarak kosmik, gravitasi jauh lebih lemah, dan ekspansi mendominasi, sehingga cluster dan superkluster masih bergerak terpisah, tetapi di dalam cluster, galaksi dan kelompok galaksi dipercepat oleh gravitasi sehingga mereka sebagian besar tetap berada dalam kelompok dan kluster, dan bergerak di sekitar atau mengorbit di dalamnya.

Jadi kita berakhir dengan alam semesta yang, pada skala kosmis, kita melihat ekspansi "menang" karena gravitasi lemah, jadi kita melihat superkluster bergerak terpisah. Tetapi di dalam gugus dan kelompok galaksi, kita melihat gravitasi "menang" karena lebih kuat pada jarak yang lebih kecil, sehingga gugus dan entitas yang terikat secara gravitasi seperti galaksi tetap bersama.

Apa artinya ini, adalah bahwa galaksi dan kelompok galaksi terikat oleh gravitasi lebih dari mereka dipisahkan oleh ekspansi. Jadi mereka tetap bergerak dalam kelompok dan kelompok mereka, meskipun ada perluasan universal. Dan, kadang-kadang, karena gerakan 3 atau lebih benda terpisah di bawah gravitasi adalah kacau (dan cluster dapat mengandung miliaran atau triliunan galaksi), seluruh galaksi akan dikeluarkan, bertabrakan, atau melakukan apa pun yang dilakukan galaksi. Dan begitulah yang terjadi.

(Meskipun Anda tidak bertanya, itu adalah pertanyaan alami untuk bertanya-tanya apa yang terjadi selanjutnya. Kami percaya bahwa laju ekspansi perlahan-lahan meningkat. Itu berarti bahwa di masa depan yang jauh (puluhan dan ratusan miliar tahun), galaksi akan harus lebih dekat bersama, agar gravitasi mendominasi ekspansi. Jadi kluster yang stabil sekarang, mungkin pecah di masa depan yang jauh. Jika ekspansi cukup cepat maka bahkan benda yang lebih kecil pada akhirnya dapat pecah, mungkin galaksi itu sendiri, atau bahkan bintang dan atom Tapi itu sesuatu yang tidak ada yang tahu.)

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

Meskipun Alam Semesta mengembang dan, secara umum, semakin jauh sebuah galaksi berasal dari kita, semakin cepat ia bergerak menjauh dari kita. Ini tidak berlaku untuk galaksi di Grup Lokal. yang merupakan struktur yang terikat secara gravitasi. Galaksi Andromeda bergerak ke arah Bima Sakti sekitar 400.000 km / jam dan Bima Sakti dan Andromeda diperkirakan akan bertabrakan dalam waktu sekitar 4 miliar tahun. Ketika ini terjadi, sebuah galaksi tunggal baru yang besar akan terbentuk. Galaksi baru yang akan dibentuk oleh merger terkadang diberi nama Milkomeda. Untuk lebih jelasnya lihat posting blog terbaru saya tentang topik ini

Selama miliaran tahun, Milkomeda akan secara bertahap menyerap anggota Grup Lokal lainnya.

Secara umum setiap struktur yang terikat secara gravitasi seperti: sistem bintang (mis. Tata surya) galaksi kita dan kelompok-kelompok dan kelompok-kelompok galaksi tidak akan menjadi lebih besar ketika alam semesta mengembang)