Warum kollidieren Galaxien?

Wenn sich das Universum nach außen ausdehnt, welche Prozesse sind für eine Galaxie erforderlich, um von der Spur abzukommen und mit einer anderen Galaxie zusammenzustoßen?

Sagen wir, die Andromeda-Galaxie und die Milchstraße.

Das Universum dehnt sich in großem Umfang aus. Aber vor Ort sind die Dinge immer chaotisch.

Vor Ort sind Galaxien nicht in Stein gemeißelt, sie bewegen sich relativ zueinander und die Richtungen sind zufällig. Wenn sie sich schnell genug aufeinander zubewegen, kollidieren sie.

Es gibt auch die Schwerkraft. Einige Galaxien sind durch die Schwerkraft aneinander gebunden, und das wird dazu neigen, sie zusammenzuziehen.

Warum sich Galaxien überhaupt relativ zueinander bewegen - nun, die Dinge in diesem Universum haben kinetische Energie und sie sind zufällig verteilt. Zufällig verteilt sind alle möglichen Szenarien möglich - Dinge, die voneinander weglaufen, aneinander vorbeizoomen, ineinander stoßen usw.

Es ist ein chaotisches und zufälliges Universum, und die Reihenfolge der Expansion wird nur im größten Maßstab sichtbar.

Die Galaxien geraten nicht wirklich aus der Bahn - es ist nicht unmöglich, aber so etwas passiert wahrscheinlich nicht mehr (da der Raum immer größer wird). Was tatsächlich passiert, ist, dass Galaxien gravitativ gebundene Cluster bilden - innerhalb des Clusters ist die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft größer als die entsprechende Ausdehnung des Raums zwischen den Galaxien, sodass die fraglichen Galaxien sich im Laufe der Zeit näher kommen, anstatt weiter auseinander zu wachsen. Dies führt schließlich zu einer Kollision und einer Fusion.

Wenn die Ausdehnung in etwa konstant bleibt, wird es einen Punkt geben, an dem wir keine Galaxien außerhalb unseres eigenen Clusters mehr sehen können. Aber für diejenigen, die nah genug dran sind, hat dies nur geringe Auswirkungen - genau wie die Expansion des Weltraums nicht dazu führt, dass Atome, Planeten, Sonnensysteme oder Galaxien größer werden.

Ich bin nicht sicher, ob jemand die gestellte Frage beantwortet hat. Die Ursache liegt in der Tat darin, dass gravitationsgebundene Strukturen mit Freifall-Zeitskalen, die viel kürzer als das Alter des Universums sind, von der allgemeinen Expansion des Universums nicht stark betroffen sind (Anmerkung: Strukturen mit längeren Freifall-Zeitskalen werden nicht die Quelle sein von vielen Galaxienkollisionen). Das heißt, lokal ist die Ausdehnung innerhalb solcher Strukturen vernachlässigbar. Dies führt jedoch nicht unbedingt zu Kollisionen auf einer Zeitskala, die kürzer als das Alter des Universums ist.

Der erste Grund für Galaxienkollisionen ist, dass Galaxienhaufen eine sehr große Zahlendichte haben - das heißt, der Abstand zwischen Galaxien ist nicht wesentlich größer als die "Größe" einer Galaxie, wobei "Größe" hier den effektiven Wechselwirkungsquerschnitt bedeutet Radius. Infolge dieser hohen Dichten liegen die dynamischen Zeitskalen des freien Falls in reichen Clustern (und sogar kleineren Gruppen von Galaxien) in der Größenordnung von Milliarden von Jahren, sodass die Galaxien genügend Zeit für die Wechselwirkung haben. Als Kontrast, darüber nachzudenken , wie man ein Konstrukt könnte Maßstab Modell der Sterne in der lokalen Umgebung und vergleichen Sie die Größen der Sterne mit ihren Trennungen. Es wäre in der Tat schwierig, ein solches maßstabsgetreues Modell mit Sternen von sinnvoller Größe herzustellen. Auf der anderen Seite, Sie können$\sim 10$

Der zweite Grund ist, dass viele Galaxien Gas enthalten und dass Gas leicht kinetische Energie abführen und auch Drehimpulse übertragen kann. Ein weiterer Faktor ist, dass massive Galaxienhaufen Intracluster-Gas enthalten, das auch dazu dienen kann, kinetische Energie abzuleiten. In einem gravitationsgebundenen System benötigen Objekte, die sich in einer Umlaufbahn umeinander oder um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt befinden, Möglichkeiten, wie kinetische Energie und Drehimpuls verloren gehen können, damit eine Kollision stattfinden kann. Selbst ohne Gas bedeutet die Tatsache, dass Galaxien in Gruppen und Clustern existieren, dass n-Körper-Wechselwirkungen dazu dienen können, Energie und Drehimpuls zu zerstreuen, um eine Kollision herbeizuführen.

Galaxien geraten nicht aus der Bahn - um zu sehen, wie Kollisionen auftreten, müssen wir frühzeitig zur Entstehung der Galaxien zurückkehren.

Also, Urknall passiert. Der Raum beginnt sich zu vergrößern - dramatisch und in großem Umfang. Das ist übrigens der Raum selbst, der sich ausdehnt, nicht Galaxien, die sich im Raum bewegen - Entfernungen ändern sich. (Aus diesem Grund wird es als "metrische" Erweiterung bezeichnet, wobei Metrik ein Begriff für Entfernungsmessungen ist, und auch, warum Kosmologen sagen, dass der Urknall "überall" stattgefunden hat.)

In einem winzigen Sekundenbruchteil lässt die massive Expansion nach. Der Speicherplatz wächst weiter, jedoch viel langsamer. Die letzte der fundamentalen Kräfte löst sich auf, und der Kosmos bleibt als wahnsinnig heißes, dichtes Gemisch zurück, so heiß, dass selbst Grundpartikel wie Protonen, Neutronen und Elektronen noch nicht existieren können - obwohl es Quarks können.

Aber da sind einige sehr subtile Dinge im Gange. Obwohl die Expansion ein unglaublich einheitliches, homogenes Universum hinterlassen hat, variiert die Dichte geringfügig zwischen den Orten. Wenn sich die Dinge abkühlen und Partikel zu kondensieren beginnen (und sich vernichten und andere Dinge), bleibt dem Universum das übrig, was Kosmologen akustische Wellen nennen - im Grunde genommen stehende Wellen. Und wenn Sie jemals Videos gesehen haben, in denen ein Tablett mit Sand vibriert , wissen Sie, dass ein Effekt darin besteht, dass an einigen Stellen aufgrund von Interferenzmustern mehr Sand und an anderen weniger Sand zurückbleibt. Unser Universum dehnt sich also aus, wobei einige Bereiche dichter und andere weniger dicht sind.

Ein zweiter Effekt kommt ins Spiel. Du wirst dunkle Materie kennen (oder davon gehört haben). Wir wissen nicht, woraus es besteht, aber wir wissen, dass es Galaxien gibt (Galaxien könnten sich ohne sie nicht bilden, sie würden auseinander fliegen oder länger als das Alter des Universums brauchen, um sich zu bilden), und wir wissen viel darüber, wie es verhält sich - auf welche Kräfte es reagiert und auf welche Kräfte es nicht reagiert. Über die Schwerkraft interagieren - ja, sehr schwach. Über elektromagnetische Kraft interagieren - nein, überhaupt nicht. Letzteres ist entscheidend.

Wenn "gewöhnliche" Materie zusammenbricht, erwärmt sie sich. So bekommen wir zum Beispiel Sterne. Die beim Zusammenbruch freigesetzte Strahlung wirkt auch als eine Art Druck, der dem Zusammenbruch entgegenwirkt und ihn verlangsamt. Deshalb sind Sterne wie unsere Sonne so lange stabil. Dunkle Materie interagiert (soweit wir wissen) nicht elektromagnetisch, sodass sie keine elektromagnetische Strahlung erfahren oder erzeugen kann. Wenn es zusammenbricht, wird es nicht heiß, es setzt keine Strahlung frei ... Ich glaube, Sie können sehen, wohin das führt. Während des Zusammenbruchs wird keine Strahlung freigesetzt, die einem weiteren Zusammenbruch widersteht, so dass dieser viel schneller als gewöhnliche Materie zusammenbrechen kann . Nebenbei, weiles kann keine Strahlung abgeben, es kann auch nicht die Energie abgeben, die beseitigt werden muss, damit sich dichte Objekte bilden können. So wird es schnell zu einem verschwommenen, diffusen "Heiligenschein", der dann aber nicht viel mehr zusammenbrechen kann. Und keine Überraschung, es bricht an den Stellen zusammen, an denen das Universum etwas dichter war. So erhalten Sie, was Kosmologen "Filamente" und "Lichthöfe" aus dunkler Materie nennen, ein bisschen wie ein Schwamm oder ein Schweizer Käse, mit vergleichbaren "Hohlräumen", die sie trennen. Gewöhnliche Materie wird stärker von diesen bereits vorhandenen Filamenten und Lichthöfen der dunklen Materie angezogen. Es bricht zu ihnen zusammen. Die Selbstgravitation der gewöhnlichen Materie wird durch die Gravitation aufgrund der dort vorhandenen Konzentrationen dunkler Materie verstärkt - und gewöhnliche Materie kann Sie verlieren Energie durch Strahlung und kollabieren mehr als die dunkle Materie, um die Galaxien und ihren Inhalt zu bilden, die wir heute sehen können.

Die Schwerkraft kann dies tun, da sich die Expansion des Universums seit ihrer "Blütezeit" so sehr verlangsamt hat, dass die Schwerkraft einen Teil der Materie im Raum schneller zusammenzieht, als die Expansion Raum zwischen ihnen schaffen kann . Über kosmische Entfernungen ist die Schwerkraft viel schwächer und die Ausdehnung dominiert. Daher bewegen sich Cluster und Supercluster immer noch auseinander, aber innerhalb von Clustern werden die Galaxien und Galaxiengruppen durch die Schwerkraft so stark beschleunigt, dass sie größtenteils in ihren Gruppen und Clustern bleiben und sich bewegen oder in ihnen umkreisen.

Am Ende haben wir ein Universum, in dem wir kosmisch gesehen die Expansion als "gewinnbringend" betrachten, da die Schwerkraft schwach ist. Wir sehen also, wie sich Supercluster voneinander entfernen. Innerhalb von Clustern und Galaxiengruppen sieht man jedoch, dass die Schwerkraft "gewinnt", weil sie über kleinere Entfernungen stärker ist, so dass Cluster und schwerkraftgebundene Entitäten wie Galaxien zusammenhalten.

Dies bedeutet wiederum, dass Galaxien und Galaxiengruppen mehr durch die Schwerkraft gebunden als durch Expansion getrennt sind. So bleiben sie trotz universeller Expansion in ihren Clustern und Gruppen in Bewegung. Und gelegentlich werden ganze Galaxien ausgeworfen oder kollidieren oder tun, was auch immer Galaxien tun, weil die Bewegung von drei oder mehr getrennten Körpern unter der Schwerkraft chaotisch ist (und Cluster Milliarden oder Billionen von Galaxien enthalten können). Und so passiert es.

(Obwohl Sie nicht gefragt haben, ist es eine natürliche Frage, sich zu fragen, was als nächstes passiert. Wir glauben, dass die Expansionsrate langsam zugenommen hat. Dies bedeutet, dass in ferner Zukunft (Zehn- und Hundertmilliarden von Jahren) Galaxien wachsen werden müssen noch enger beieinander sein, damit die Schwerkraft die Expansion dominiert, damit jetzt stabile Cluster in ferner Zukunft auseinander brechen können. Wenn die Expansion ausreichend beschleunigt wird, könnten letztendlich auch kleinere Körper aufbrechen, vielleicht Galaxien selbst oder sogar Sterne und Atome Aber das weiß niemand.)

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

Obwohl sich das Universum ausdehnt und im Allgemeinen, je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller scheint sie sich von uns zu entfernen. Dies gilt nicht für die Galaxien in der lokalen Gruppe. Das ist eine gravitativ gebundene Struktur. Die Andromeda-Galaxie bewegt sich mit ungefähr 400.000 km / h in Richtung Milchstraße, und es wird erwartet, dass die Milchstraße und Andromeda in ungefähr 4 Milliarden Jahren kollidieren. Wenn dies geschieht, wird eine große neue einzelne Galaxie gebildet. Die neue Galaxie, die durch den Zusammenschluss entstehen wird, erhält manchmal den Namen Milkomeda. Weitere Details finden Sie in meinem letzten Blogeintrag zu diesem Thema.

Über Milliarden von Jahren wird Milkomeda nach und nach die anderen Mitglieder der lokalen Gruppe übernehmen.

Im Allgemeinen werden gravitationsgebundene Strukturen wie Sternensysteme (z. B. Sonnensysteme), unsere Galaxien sowie Gruppen und Galaxienhaufen nicht größer, wenn sich das Universum ausdehnt.