Galaxiile: citadele stelare

Galaxiile sunt formațiuni de stele, praf, gaze și materie întunecată cu o activitate concentrată de evenimente astronomice. Adevărate citadele stelare, aici se nasc, evoluează și mor stele, planete se formează sau sunt înghițite de stelele în jurul cărora orbitează și, poate, ființe extraterestre își trăiesc viețile. Privind cerul nopții, oamenii au fost întotdeauna fascinați de centura luminoasă ce despică bolta cerească. Acum știm că noi privim spre alte părți ale propriei noastre Galaxii. În articolul de mai jos, vom explora aceste insule-univers și vom învăța câteva lucruri despre istoria și clasificarea acestora.

Dacă ați avut ocazia să petreceți seri de vară sub cerul înstelat, într-o locație fără prea multă poluare luminoasă, poate v-ați întrebat ce este acea bandă luminoasă, cu formă neregulată, ce străbate cerul, pornind de deasupra orizontului sudic și urcând până în zenit. Ați avut ocazia să observați galaxia din care face parte și sistemul nostru Solar, denumită, încă din antichitate, Calea Lactee. Etimologia cuvântului galaxie provine din grecescul galaxías, derivat din gála, ‘lapte’, datorită aspectului galaxiei pe cerul nopții. Numele complet dat de greci este galaxías (kúklos), adică cercul (kúklos) lăptos (galaxías). Adaptat în alte limbi, acest nume a devenit Calea Lactee, Milky Way, Voie lactée, Vía Láctea, etc., cuvântul cerc fiind înlocuit de cale, sau drum. În literatura astronomică, se va folosi frecvent cuvântul Galaxie (cu G mare) pentru a face referire la Calea Lactee, diferențiind-o, astfel, de restul galaxiilor din Univers.

Calea Lactee

Să deschidem acest subiect prin intermediul celei mai apropiate și ușor de observat galaxii: Calea Lactee. Încă din antichitate, filozofii timpului s-au întrebat ce este acea bandă luminoasă de pe cerul nopții. Unii au spus că sunt stele foarte apropiate. Alții au spus că este materialul emis de stele masive, ce se aprinde în straturile superioare ale atmosferei, sau că ar fi o concentrație de stele de natură nebuloasă.

Dovada că această bandă luminoasă este un obiect exterior atmosferei a venit atunci când s-a încercat, fără succes, măsurarea paralaxei.

Paralaxa este o metodă de măsurare a distanței față de un obiect îndepărtat, prin înregistrarea poziției acestuia față de un punct de referință din fundal, atunci când este privit din două poziții distincte. Cu cât un obiect este mai îndepărtat, cu atât această diferență este mai mică. Încercările timpurii de măsurare a paralaxei, realizate de astronomi arabi și europeni medievali, nu au reușit să detecteze nicio deplasare, ceea ce a confirmat natura extraterestră a Galaxiei.

Prima dovadă că galaxia noastră este formată din foarte multe stele a venit în anul 1610, când astronomul Galileo Galilei și-a îndreptat luneta către această bandă luminoasă de pe cer și a observat o multitudine de stele cu o luminozitate aparentă scăzută. Mai târziu, prin anul 1750, un astronom englez pe nume Thomas Wright a teoretizat faptul că Galaxia este de fapt un corp format din multe stele, ținute laolaltă de gravitație, ce se rotesc în jurul unui punct central, similar cu Sistemul Solar, dar la o scară mult mai mare. Această mișcare în spirală ar rezulta într-un disc, explicând forma benzii vizibile de pe Pământ. Această explicație se apropie cel mai mult de natura unei galaxii.

 

Deși galaxia noastră a fost, de-a lungul timpului, cea mai ușor de observat galaxie, au fost observate și altele, cum ar fi galaxia Andromeda, galaxia Triangulum, Norii Magelanici Mare și Mic, unele dintre cele mai apropiate galaxii de noi. Toate acestea au fost denumite nebuloase deoarece, în vremea descoperirii lor, nu se cunoșteau cu adevărat natura și dimensiunile Universului. Astfel, galaxiile și roiurile globulare (despre care vom vorbi într-un alt articol) erau considerate nebuloase extragalactice. Abia pe la începutul anilor 1900, au fost lansate teorii ce spuneau că aceste „nebuloase extragalactice” sunt, de fapt, galaxii ca și a noastră, pe care le-au numit „universuri insule”. Aceste teorii au fost lansate pe baza observațiilor unor nove din galaxia Andromeda, pe faptul că „nebuloasele spirală” prezintă efectul Doppler și pe baza asemănării benzilor de praf din alte galaxii cu cele din galaxia noastră.

Efectul Doppler reprezintă schimbarea frecvenței unei unde atunci când sursa acesteia este în mișcare față de observator. Cel mai ușor de înțeles exemplu este schimbarea tonalității unei sirene de autospecială atunci când se apropie sau se depărtează de noi. În cazul obiectelor astronomice, frecvența radiațiilor electromagnetice scade dacă sursa se îndepărtează de noi (deplasare spre roșu en. red-shift) și crește atunci când sursa se apropie (deplasare spre albastru en. blue-shift). 

Utilizând telescopul de 100 de inchi din dotarea observatorului Mount Wilson, Edwin Hubble a reușit să rezolve stele distincte și Cefeide (stele variabile folosite ca referință în măsurarea distanței) în brațele spiralate periferice ale galaxiei Andromeda. După calcularea distanței până la acele Cefeide, Hubble a dedus că sunt mult prea îndepărtate pentru a fi parte din Calea Lactee. În 1926, Hubble a clasificat galaxiile după morfologia lor, clasificare ce este utilizată până în ziua de azi.

În anii ce au urmat, mulțumită telescoapelor spațiale și terestre, am putut observa din ce în ce mai multe galaxii. Cu fiecare imagine ce a scos la iveală noi galaxii, necunoscute până atunci, scara universului a crescut. Poate cea mai celebră imagine a unor galaxii îndepărtate este imaginea Ultra-Deep Field, realizată cu ajutorul Telescopului Spațial Hubble în decursul a 11 zile. Mai tarziu, această regiune din cer a fost revizitată de Telescopul Spațial James-Webb, ce a putut captura detalii și mai îndepărtate, mulțumită camerelor ce captează lumina infraroșie.

 

 

Ce sunt galaxiile?

Mulțumită avansului tehnologic și științific, astăzi cunoaștem natura reală a acestor obiecte cerești. Ele sunt o concentrare de stele, praf, gaze, rămășițe stelare și materie întunecată, ținute laolaltă de gravitație. Se presupune că majoritatea galaxiilor au în centrul lor o gaură neagră supermasivă. Și în cazul galaxiei noastre, în Centrul Galactic, se află gaura neagră supermasivă Sagittarius A*, cu o masă de 4 milioane de mase Solare.

 

Cum s-au format galaxiile?

Deși cunoștințele noastre despre Univers au avansat foarte mult, iar modelele teoretice, bazate pe modelul Lambda-CDM (Lambda – Cold Dark Matter) funcționează destul de bine, există încă discrepanțe, mai ales în cazul galaxiilor din universul foarte timpuriu. Condensând teoriile și detaliile mai complexe, ne putem forma o idee de bază: După Big Bang, evenimentul ce este teoretizat drept momentul zero al universului, din materia expulzată în urma acestei explozii, s-au format elemente precum Hidrogenul și Heliul. Datorită distribuției neuniforme, aceste elemente s-au concentrat în nori de gaz. Datorită gravitației, acești nori de gaze s-au concentrat din ce în ce mai mult, până temperatura și presiunea au crescut destul îndeajuns încât să declanșeze fuziunea ce a dat naștere unei stele. Odată ce aceste stele au explodat ca supernove, au accelerat formarea multor altor stele prin comprimarea norilor de gaze. Datorită gravitației și energiei întunecate, aceste stele și elemente au rămas grupate în structuri pe care astăzi le numim galaxii care, la rândul lor, sunt grupate în structuri mai mari.

Morfologia galaxiilor

Dacă ați observat prin telescop sau în fotografii imaginile altor galaxii, ați băgat de seamă faptul că acestea nu sunt toate de aceeași formă. Unele galaxii prezintă spirale clar vizibile, în timp ce altele au un aspect de pată luminoasă cu marginile difuze. Alte galaxii nu arată deloc cum ne-am aștepta să arate o galaxie. Ele au fost categorisite de Edwin Hubble, (catalogul fiind revizuit și extins, mai târziu de Gérard de Vaucouleurs și Allan Sandage) în funcție de forma lor. Deși diagrama lui Hubble a fost interpretată inițial ca o secvență evolutivă, el însuși a precizat ulterior că reprezintă doar o clasificare morfologică.

Galaxiile eliptice

Aceste galaxii au o formă elipsoidă, sunt clasificate după gradul de elipticitate și se diferențiază prin faptul că nu pot fi distinse spirale în interiorul lor. Sunt notate cu En, în care n este gradul de elipticitate, între 0 și 7, 0 reprezentând o formă aproape sferică, iar 7 reprezentând o formă foarte alungită. Acest fapt se datorează densității foarte reduse a materiei interstelare. Din cauza lipsei de gaze interstelare, rata de naștere a stelelor noi este foarte redusă. Tot din acest motiv sunt alcătuite, în principal, din stele bătrâne, fapt ce le conferă culoarea roșiatică. Sunt similare, din acest punct de vedere, cu unele roiuri globulare. Spre deosebire de galaxiile structurate în formă de disc sau spirală, plane, galaxiile eliptice sunt mult mai tridimensionale iar orbitele stelelor în jurul centrului galactic sunt mai aleatorii.

În urma observațiilor, s-a concluzionat că în nucleul fiecărei galaxii eliptice se găsește o gaură neagră supermasivă. Aceste galaxii se găsesc în principal în grupuri compacte sau roiuri (en. Cluster). 

Câteva exemple notabile de galaxii eliptice sunt: M49, M59, M60, M86, M87, M89, M105. Toate galaxiile menționate pot fi găsite în constelația Virgo.

 

Galaxiile lenticulare

Pe scara morfologică, aceste galaxii, notate ca S0 (zero) se află între galaxiile eliptice și cele spiralate. Caracteristicile principale sunt faptul că, la fel ca și galaxiile eliptice, nu prezintă spirale și sunt sărace în gaze interstelare, dar prezintă totuși cantități destul de mari de praf, ușor detectabil, iar forma lor este una discoidală. Deși, morfologic, acestea diferă de galaxiile eliptice, sunt similare ca spectralitate și componență. Din cauza faptului că aceste galaxii și-au utilizat majoritatea materiei interstelare necesare formării de noi stele, rata de naștere a acestora este similară cu cea a galaxiilor eliptice. De asemenea, sunt alcătuite din stele bătrâne, fiind considerate, alături de galaxiile eliptice, parte din primele serii de galaxii ce au luat naștere în Univers.

Sunt unice în ceea ce privește forma, având atât o componentă discoidală, cât și un bulb galactic proeminent. Toate galaxiile spiralate au un bulb galactic, însă raportul între bulb și disc este mai mare în cazul galaxiilor lenticulare. În catalogul Messier avem puține exemple de galaxii lenticulare. M102, sau galaxia Fus (en. Spindle), este un exemplu de galaxie lenticulară pe muchie (en. edge-on). Putem observa bulbul galactic „tăiat” de praful din discul galaxiei. Poate fi găsită în constelația Draco. M84 este un exemplu de galaxie categorisită ca fiind eliptică sau lenticulară deoarece, morfologic, are o formă elipsoidală, însă prezintă praf în mediul interstelar organizat într-o formă discoidală de mici dimensiuni (comparând-o cu o galaxie lenticulară). M104, sau galaxia Sombrero, este un alt exemplu de galaxie catalogată ca fiind deopotrivă eliptică și lenticulară. Alte galaxii lenticulare sunt NGC 6861, NGC 4608, NGC 3115.

 

 

Galaxii spiralate

Galaxiile din această categorie (Sa, Sb, Sc, Sd, în funcție de densitatea brațelor), se definesc prin forma lor discoidală, plană și un bulb galactic relativ mic. Sunt denumite ”spiralate” după structurile cu formă de spirală ce se întind din centrul galactic spre periferie. În aceste spirale se află „creșele stelare”, zone bogate în Hidrogen, în care se formează stele noi. Datorită concentrației mari de stele tinere, sunt mai luminoase decât restul discului.

Aproximativ două treimi din galaxiile spiralate observate au o componentă în formă de bară, ce se întinde din bulbul central și din capătul căreia pornesc brațele spiralei. Aceste galaxii se numesc galaxii spiralate barate (SBa, SBb, SBc, SBd, în funcție de cât de îndepărtate sunt brațele față de nucleul galaxiei).

Galaxia noastră este considerată a fi de tipul galaxie spiralată barată, deși observarea directă a formei este imposibilă din cauza poziției noastre în discul galactic. Structuri de stele în formă de bară au fost observate de mai multe telescoape.

Galaxiile barate spiralate sunt un tip nou de galaxie. Dacă acum 8 miliarde de ani, acestea reprezentau doar 10% din numărul galaxiilor spiralate, în prezent, două treimi din galaxiile observabile din univers sunt barate. Se găsesc, în mare parte, în zonele cu densitate scăzută și sunt rar observate în centrele roiurilor galactice.

Printre galaxiile spiralate, cele mai ușor vizibile de orice amator sunt Galaxia Andromeda (Messier 101), Galaxia Triangulum (Messier 33) sau Galaxia Whirlpool (Messier 51). Exemple de galaxii spiralate barate sunt Messier 83, Messier 95 sau Messier 108.

 

 

 

 

Galaxii neregulate

Acestea sunt galaxii ce nu au o structură bine definită, comparativ cu celelalte tipuri de galaxii. Cele două tipuri sunt Irr I, galaxii ce nu au un bulb galactic sau brațe definite și conțin roiuri stelare și stele tinere, (precum) și Irr II, galaxii cu un profil asimetric neted, în care nu pot fi distinse stele individuale sau roiuri.

Cele mai bune exemple de galaxii neregulate de ambele tipuri sunt Marele Nor Magelanic (LMC), o galaxie neregulată de tip Irr I și Micul Nor Magelanic (SMC), de tipul Irr II. Din România, aceste două galaxii nu pot fi observate, fiind vizibile doar din emisfera sudică.

Galaxii peculiare

O galaxie peculiară este o galaxie cu forme, dimensiuni și compoziție ieșite din comun. Cele două tipuri de galaxii peculiare sunt galaxiile în interacțiune și nucleele galactice active. În acest articol vom vorbi doar despre galaxiile în interacțiune.

Atunci când două galaxii ajung în apropiere una de cealaltă, interacțiunea gravitațională dintre ele le deformează. Cele două tipuri de interacțiuni sunt minore și majore. Deranjarea (Deformarea) brațului unei galaxii spiralate de către o galaxie satelit este un exemplu de interacțiune minoră, pe când coliziunea între două galaxii de dimensiuni similare, ce rezultă în contopirea lor, este o interacțiune majoră.

În univers, interacțiunea între o galaxie și satelitul ei este destul de comună. Satelitul poate atrage stele și materie interstelară din galaxia principală, sau poate intra în coliziune cu aceasta, cum este cazul Galaxiei Sferoidale Pitice Sagittarius care, în trecut,a intrat de mai multe ori în coliziune cu Calea Lactee și urmează să facă asta din nou, în viitor. Dacă cele două galaxii au dimensiuni relativ similare, formele ambelor galaxii vor fi distorsionate de aceste interacțiuni. Dacă una dintre galaxii este mult mai mică, ea va fi absorbită de galaxia mare, cea din urmă păstrându-și, oarecum, forma originală.

O coliziune galactică nu va rezulta întotdeauna într-o contopire (en. Galaxy merger). În cazul în care cele două galaxii au destul momentum, ele își vor păstra, în mare parte, formele și compoziția originală, continuându-și traiectoria inițială.

Coliziunile galactice pot rezulta într-o activitate de formare de stele crescută, datorită combinării gazelor din cele două galaxii (en. Starburst galaxy). Această activitate crescută oferă acestor zone din galaxie o culoare mai albastră și o luminozitate crescută.

În aproximativ 4.5 miliarde de ani, sunt șanse ca galaxia noastră și galaxia Andromeda să fie implicate într-o coliziune galactică ce va rezulta în contopirea celor două galaxii.

Galaxiile peculiare sunt catalogate în atlasul Arp – Atlas of Peculiar Galaxies. Cele mai celebre exemple de galaxii peculiare sunt Messier 51, Messier 82,  Messier 101, Arp 244/NGC 4038 + NGC 4039.

 

 

Galaxiile pitice

Aceste galaxii sunt de dimensiuni reduse, comparativ cu Calea Lactee, ce pot fi alcătuite de la mii și până la câteva miliarde de stele. Marele Nor Magelanic (LMC), o galaxie pitică satelit al Căii Lactee, este alcătuit din 30 de miliarde de stele. Se consideră că activitatea și forma unei galaxii pitice sunt puternic influențate de interacțiunea lor cu alte galaxii. Din cauza dimensiunii lor reduse, ele sunt atrase către galaxii mari învecinate și sunt absorbite, eventual, de acestea. Asemănător galaxiilor normale, ele sunt catalogate după formă și alcătuire: galaxii pitice eliptice, spiralate, sferoidale, neregulate, Magellanice (spirale cu un singur braț) și galaxii albastre compacte sau ultracompacte.

Deși majoritatea galaxiilor din univers au  luminozitate și concentrație stelară crescute, există un tip special de galaxie pitică ce iese din tipar: Galaxia Pitică Ultra-Slab luminoasă sau cu luminozitate extrem de redusă (en. Ultra Faint Dwarf). Sunt alcătuite din sute până la o mie de stele și au o concentrație foarte crescută de materie întunecată. Toate galaxiile de acest tip ce au fost observate până acum sunt foarte bătrâne, formându-se la doar câteva sute de milioane de ani după Big Bang. Deși s-a teoretizat faptul că există și galaxii pitice ultra-slab luminoase mai tinere, acestea nu au fost încă observate.

 

Galaxiile fac partea din cea mai abundentă categorie de obiecte cosmice de pe cer. Un telescop astronomic de dimensiuni medii, accesibil tuturor amatorilor, ne poate arăta mii de galaxii. Estimările actuale ne indică faptul că în Universul Observabil ar exista aproximativ două trilioane de astfel de insule cosmice.

Prin studierea lor, aflăm informații valoroase despre începutul și evoluția Universului în care trăim, dar și despre apariția vieții, așa cum o cunoaștem în prezent. Observarea și fotografierea lor de către noi, astronomii amatori, ne deschid noi orizonturi și ne fac să privim cu alți ochi ceea ce ne înconjoară. După sute de nopți petrecute cu ochii și senzorii în galaxii, parcă e mai ușor perceptibilă imensitatea Universului și scara cosmică a dimensiunilor și distanțelor de care ne lovim.

 

 

Autor articol: Florin Dumitrescu