Por que as galáxias colidem?

Se o universo está se expandindo para fora, quais são os processos para uma galáxia sair da pista o suficiente para colidir com outra?

Digamos, a galáxia de Andrômeda e a Via Láctea.

O universo está se expandindo em larga escala. Mas localmente as coisas são sempre confusas.

Localmente, as galáxias não são gravadas em pedra, elas se movem uma em relação à outra e as direções são aleatórias. Se eles estão se movendo um para o outro rápido o suficiente, eles colidem.

Além disso, há gravidade. Algumas galáxias estão ligadas uma à outra pela gravidade, e isso tende a juntá-las.

Quanto ao motivo pelo qual as galáxias se movem, uma em relação à outra - bem, as coisas neste universo têm energia cinética e é distribuída aleatoriamente. Sendo distribuídos aleatoriamente, todos os tipos de cenários são possíveis - coisas fugindo uma da outra, aproximando-se uma da outra, esbarrando uma na outra etc.

É um universo confuso e aleatório, e a ordem de expansão se torna aparente apenas na maior escala.

As galáxias realmente não saem da pista - não é impossível, mas esse tipo de coisa provavelmente não acontece mais (à medida que o espaço continua a se expandir). O que realmente acontece é que as galáxias formam aglomerados gravitacionais - dentro do aglomerado, a aceleração devido à gravidade é maior que a expansão equivalente do espaço entre as galáxias, então, em vez de ficarem mais distantes, as galáxias em questão se aproximam com o tempo. Eventualmente, isso resulta em uma colisão e uma fusão.

Se a expansão permanecer aproximadamente constante, chegará um ponto em que não poderemos mais ver galáxias fora de nosso próprio aglomerado. Mas para aqueles próximos o suficiente, isso tem pouco efeito - assim como a expansão do espaço não faz com que átomos, planetas, sistemas solares ou galáxias fiquem maiores.

Não tenho certeza se alguém respondeu à pergunta. A causa raiz é, de fato, que estruturas ligadas gravitacionalmente com escalas de tempo de queda livre muito menores que a idade do universo não são muito afetadas pela expansão geral do universo (NB: Estruturas com escalas de tempo de queda livre maiores do que isso não serão a fonte de muitas colisões de galáxias). Ou seja, localmente, a expansão dentro dessas estruturas é insignificante. No entanto, isso não leva necessariamente a colisões em uma escala de tempo menor que a idade do universo.

A primeira razão para colisões de galáxias é que os aglomerados de galáxias têm uma densidade numérica muito grande - ou seja, o espaçamento entre galáxias não é muito maior que o "tamanho" de uma galáxia, onde aqui "tamanho" significa a interação efetiva da seção transversal raio. Como resultado dessas altas densidades, as escalas dinâmicas de queda livre em aglomerados ricos (e até grupos menores de galáxias) são da ordem de bilhões de anos e, portanto, há muito tempo para as galáxias interagirem. Por outro lado, pense em como você pode construir um modelo em escala de estrelas na vizinhança local e compare o tamanho das estrelas com suas separações. De fato, seria difícil criar um modelo em escala com estrelas de tamanho significativo. Por outro lado, você pode$\sim 10$ vezes seus tamanhos.

A segunda razão é que muitas galáxias contêm gás e esse gás pode facilmente dissipar energia cinética e também transferir momento angular. Outro fator é que aglomerados maciços de galáxias contêm gás intracluster que também pode servir para dissipar a energia cinética. Em um sistema gravitacionalmente vinculado, os objetos que estão em órbita entre si ou em torno de um centro de massa comum precisam de maneiras pelas quais a energia cinética e o momento angular podem ser perdidos para que uma colisão ocorra. Mesmo sem gás, o fato de as galáxias existirem em grupos e aglomerados significa que as interações n-corpo podem servir para dissipar energia e momento angular para causar uma colisão.

As galáxias não se desviam - para ver como as colisões acontecem, precisamos voltar logo à formação das galáxias.

Então, o Big Bang acontece. O espaço começa a se expandir - dramaticamente e em grande medida. Esse é o próprio espaço em expansão, não as galáxias se movendo no espaço, a propósito - as distâncias mudam. (É por isso que é chamada de expansão "métrica", métrica sendo um termo para medidas de distância e também por que os cosmólogos dizem que o Big Bang aconteceu "em todos os lugares").

Em uma pequena fração de segundo, a expansão maciça diminui. O espaço continua a se expandir, mas a uma taxa muito mais lenta. A última das forças fundamentais se rompe, e o cosmos é deixado como uma mistura densa insanamente quente, tão quente que até partículas básicas como prótons, nêutrons e elétrons ainda não podem existir - embora os quarks possam.

Mas há coisas muito sutis acontecendo. Embora a expansão tenha nos deixado um universo homogêneo incrivelmente uniforme, a densidade varia levemente entre os lugares. À medida que as coisas esfriam e as partículas começam a condensar (e aniquilar e outras coisas), o universo fica com o que os cosmólogos chamam de ondas acústicas - basicamente ondas estacionárias. E se você já viu vídeos de uma bandeja de areia vibrando , saberá que um efeito é que ela deixa alguns lugares com mais areia, alguns com menos, devido a padrões de interferência. Assim, nosso universo acaba, à medida que se expande, com algumas áreas mais densas, outras menos densas.

Um segundo efeito entra em jogo. Você conhecerá (ou já ouviu falar) matéria escura. Não sabemos do que é feito, mas sabemos que ele existe (as galáxias não poderiam se formar sem ele, elas se separariam ou levariam mais tempo que a idade do universo para se formar), e sabemos muito sobre como ele se comporta - a que forças responde e a que forças não. Interaja via gravidade - sim, muito fracamente. Interaja via força eletromagnética - não, de jeito nenhum. Essa última parte é crucial.

Quando a matéria "comum" entra em colapso, ela esquenta. É assim que temos estrelas, por exemplo. A radiação liberada durante o colapso também atua como uma espécie de pressão, opondo-se ao colapso, diminuindo a velocidade. É por isso que estrelas como o nosso sol são estáveis ​​por tanto tempo. A matéria escura não interage eletromagneticamente (tanto quanto sabemos), por isso não pode experimentar ou criar radiação eletromagnética. Então, quando entra em colapso, não esquenta, não libera radiação ... Acho que você pode ver aonde isso está indo. Não há radiação liberada durante o colapso para resistir a um colapso adicional, de modo que pode colapsar muito mais rápido que a matéria comum . Como um aparte, porquenão pode liberar radiação, também não pode abandonar a energia que deve ser eliminada para permitir a formação de objetos densos. Portanto, ele acaba colapsando rapidamente para um "halo" difuso e nebuloso, mas não pode colapsar muito mais. E não é surpresa, ele entra em colapso naqueles lugares onde o universo era um pouco mais denso. Então você obtém o que os cosmologistas chamam de "filamentos" e "halos" de matéria escura, um pouco como uma esponja ou um queijo suíço, com "vazios" comparativos os separando. A matéria comum é mais fortemente atraída por esses filamentos e halos de matéria escura já existentes. Ele cai em direção a eles. A auto-gravidade da matéria comum é aumentada pela gravidade devido às concentrações de matéria escura lá - e a matéria comum pode perde energia pela radiação, colapsando mais do que a matéria escura, para formar as galáxias e seu conteúdo que podemos ver hoje.

A gravidade pode fazer isso, porque a expansão do universo já desacelerou tanto desde o seu "apogeu", que a gravidade pode reunir parte da matéria no espaço mais rapidamente do que a expansão pode adicionar espaço entre elas. . Nas distâncias cósmicas, a gravidade é muito mais fraca e a expansão domina, de modo que os aglomerados e superaglomerados ainda se separam, mas dentro dos aglomerados, as galáxias e grupos de galáxias são acelerados pela gravidade o suficiente para permanecerem em seus grupos e aglomerados e se movimentarem ou orbitam dentro deles.

Então, acabamos com um universo que, em uma escala cósmica, vemos a expansão "vencedora", pois a gravidade é fraca, e vemos superaglomerados se afastando. Porém, dentro de aglomerados e grupos de galáxias, vemos a gravidade "ganhando" porque é mais forte em distâncias menores, de modo que aglomerados e entidades gravitacionalmente ligadas, como galáxias, permanecem juntas.

O que isso significa, por sua vez, é que galáxias e grupos de galáxias estão mais ligados pela gravidade do que separados por expansão. Então eles continuam se movendo dentro de seus clusters e grupos, apesar da expansão universal. E, ocasionalmente, porque o movimento de três ou mais corpos separados sob gravidade é caótico (e os aglomerados podem conter bilhões ou trilhões de galáxias), galáxias inteiras serão ejetadas, colidirão ou farão o que as galáxias fazem. E é assim que acontece.

(Embora você não tenha perguntado, é uma pergunta natural saber o que acontece a seguir. Acreditamos que a taxa de expansão aumentou lentamente. Isso significa que, no futuro distante (dezenas e centenas de bilhões de anos), as galáxias irão Para que a gravidade domine a expansão, os aglomerados que são estáveis ​​agora podem se separar em um futuro distante: se a expansão acelerar o suficiente, até mesmo corpos menores poderão acabar se rompendo, talvez galáxias ou estrelas e átomos. Mas isso é algo que ninguém sabe.)

$70 km.s^{-1}Mpc^{-1}$$70 km.s^{-1}$$110 km.s^{-1}$. Para galáxias muito, muito mais distantes, a bilhões de anos-luz de distância, todas essas$70 km.s^{-1}$ os complementos acumulam uma velocidade recessional muito, muito maior.

Embora o Universo esteja se expandindo e, em geral, quanto mais longe uma galáxia estiver de nós, mais rápido ela parecerá se afastar de nós. Isso não se aplica às galáxias do grupo local. que é uma estrutura gravitacionalmente ligada. A galáxia de Andrômeda está se movendo em direção à Via Láctea a cerca de 400.000 km / he espera-se que a Via Láctea e Andrômeda colidam em cerca de 4 bilhões de anos. Quando isso acontecer, uma nova galáxia nova será formada. Às vezes, a nova galáxia que será formada pela fusão recebe o nome de Milkomeda. Para mais detalhes, consulte meu post recente sobre este tópico.

Ao longo de bilhões de anos, Milkomeda absorverá gradualmente os outros membros do Grupo Local.

Em geral, qualquer estrutura gravitacionalmente ligada, como: sistemas estelares (por exemplo, sistema solar), nossa galáxia e grupos e aglomerados de galáxias não aumentarão à medida que o Universo se expande.