Mælkevejens massetilstrømning og -udstrømning

Ifølge de mest almindeligt anerkendte kosmologiske modeller, de første galakser begyndte at dannes for mellem 13 og 14 milliarder år siden. I løbet af de næste milliard år, de nu observerede kosmiske strukturer dukkede først op. Disse omfatter ting som galaksehobe, superklynger og filamenter, men også galaktiske træk som kuglehobe, galaktiske buler, og supermassive sorte huller (SMBH'er).

Imidlertid, som levende organismer, galakser er fortsat med at udvikle sig lige siden. Faktisk, i løbet af deres liv, galakser ophobes og udstøder masse hele tiden. I en nylig undersøgelse, et internationalt hold af astronomer beregnede hastigheden af ​​indstrømning og udstrømning af materiale til Mælkevejen. Så gav de gode folk hos Astrobites det en god gennemgang og viste, hvor relevant det er for vores forståelse af galaktisk dannelse og evolution.

Undersøgelsen blev ledet af ESA-astronomen Dr. Andrew J. Fox og omfattede medlemmer fra Space Telescope Science Institutes (STScI) Milky Way Halo Research Group, ESA's Association of Universities for Research in Astronomy (AURA), og flere universiteter. Baseret på tidligere undersøgelser, de undersøgte den hastighed, hvormed gas strømmer ind og ud af Mælkevejen fra omgivende højhastighedsskyer (HVC).

Da tilgængeligheden af ​​materiale er nøglen til stjernedannelse i en galakse, at kende den hastighed, hvormed det tilføjes og tabes, er vigtigt for at forstå, hvordan galakser udvikler sig over tid. Og som Michael Foley fra Astrobites opsummerede, karakterisering af de hastigheder, hvormed materiale tilsættes til galakser, er afgørende for at forstå detaljerne i denne "galaktiske springvand"-model.

I overensstemmelse med denne model, de mest massive stjerner i en galakse producerer stjernevinde, der driver materiale ud af galakseskiven. Når de går i supernova nær slutningen af ​​deres levetid, de driver ligeledes det meste af deres materiale ud. Dette materiale falder derefter tilbage i disken over tid, giver materiale til nye stjerner at danne.

"Disse processer er tilsammen kendt som stjernernes feedback, og de er ansvarlige for at skubbe gas tilbage ud af Mælkevejen, " sagde Foley. "Med andre ord, Mælkevejen er ikke en isoleret sø af materiale; det er et reservoir, der konstant vinder og taber gas på grund af tyngdekraften og stjernernes feedback."

Ud over, nyere undersøgelser har vist, at stjernedannelse kan være tæt forbundet med størrelsen af ​​det supermassive sorte hul (SMBH) i en galakses kerne. I bund og grund, SMBH'er udsender en enorm mængde energi, der kan opvarme gas og støv omkring kernen, hvilket forhindrer det i at klumpe sig effektivt og gennemgå gravitationssammenbrud for at danne nye stjerner.

Som sådan, hastigheden, hvormed materiale strømmer ind og ud af en galakse, er nøglen til at bestemme hastigheden af ​​stjernedannelse. For at beregne den hastighed, hvormed dette sker for Mælkevejen, Dr. Fox og hans kolleger konsulterede data fra flere kilder. Dr. Fox fortalte Universe Today via e-mail:

"Vi udgravede arkivet. NASA og ESA vedligeholder godt kuraterede arkiver af alle Hubble Space Telescope-data, og vi gennemgik alle observationerne af baggrundskvasarer taget med Cosmic Origins Spectrograph (COS), en følsom spektrograf på Hubble, der kan bruges til at analysere det ultraviolette lys fra fjerne kilder. Vi fandt 270 sådanne kvasarer. Først, vi brugte disse observationer til at lave et katalog over hurtigtbevægende gasskyer kendt som højhastighedsskyer (HVC'er). Derefter udtænkte vi en metode til at opdele HVC'erne i indstrømmende og udstrømmende populationer ved at gøre brug af Doppler-skiftet."

Ud over, en nylig undersøgelse viste, at Mælkevejen oplevede en hvilende periode for omkring 7 milliarder år siden, som varede i omkring 2 milliarder år. Dette var resultatet af chokbølger, der fik interstellare gasskyer til at blive opvarmet, hvilket midlertidigt fik strømmen af ​​kold gas ind i vores galakse til at stoppe. Over tid, gassen afkølede og begyndte at strømme ind igen, udløser en anden runde af stjernedannelse.

Efter at have kigget på alle data, Fox og hans kolleger var i stand til at sætte begrænsninger på hastigheden af ​​indstrømning og udstrømning for Mælkevejen:

"Efter at have sammenlignet hastighederne for indstrømmende og udstrømmende gas, vi fandt en overskydende tilstrømning, hvilket er gode nyheder for fremtidig stjernedannelse i vores galakse, da der er masser af gas, der kan omdannes til stjerner og planeter. Vi målte omkring 0,5 solmasser pr. år af indstrømning og 0,16 solmasser pr. år af udstrømning, så der er en nettotilstrømning."

Imidlertid, som Foley antydede, HVC'er menes at leve i perioder på kun omkring 100 millioner år eller deromkring. Som resultat, denne nettotilgang kan ikke forventes at vare på ubestemt tid. "Endelig, de ignorerer HVC'er, der vides at ligge i strukturer (såsom Fermi-boblerne), der ikke sporer den indstrømmende eller udstrømmende gas, " tilføjer han.

Siden 2010 har astronomer har været opmærksomme på de mystiske strukturer, der dukker op fra midten af ​​vores galakse kendt som Fermi Bubbles. Disse boblelignende strukturer strækker sig i tusindvis af lysår og menes at være resultatet af SMBH's forbrug af interstellar gas og opstødende gammastråler.

Imidlertid, i mellemtiden, resultaterne giver ny indsigt i, hvordan galakser dannes og udvikler sig. Undersøgelsen styrker også den nye sag, der er lavet for "kolde flow-tilvækst, " en teori oprindeligt foreslået af prof. Avishai Dekel og kolleger fra det hebraiske universitet i Jerusalems Racah Institute of Physics for at forklare, hvordan galakser opsamler gas fra det omgivende rum under deres dannelse.

"Disse resultater viser, at galakser som Mælkevejen ikke udvikler sig i en stabil tilstand, Dr. Fox opsummerede. "I stedet for ophobes de og taber gas episodisk. Det er en boom-og-bust-cyklus:Når der kommer gas ind, flere stjerner kan dannes, men hvis der kommer for meget gas ind, det kan udløse et stjerneskud så intenst, at det blæser al den resterende gas væk, lukke for stjernedannelsen. Dermed, balancen mellem ind- og udstrømning regulerer, hvor meget stjernedannelse der sker. Vores nye resultater er med til at belyse denne proces."

En anden interessant ting fra denne undersøgelse er, at det, der gælder for vores Mælkevej, også gælder for stjernesystemer. For eksempel, vores solsystem er også underlagt ind- og udstrømning af materiale over tid. Objekter som "Oumuamua og den nyere 2I/Borisov bekræfter, at asteroider og kometer bliver smidt ud af stjernesystemer og øses op af andre regelmæssigt.

Men hvad med gas og støv? Er vores solsystem og (i forlængelse heraf) planeten Jorden ved at tabe sig eller tage på i vægt over tid? Og hvad kan det betyde for fremtiden for vores system og hjemmeplanet? For eksempel, astrofysiker og forfatter Brian Koberlein behandlede sidstnævnte problem i 2015 på sin hjemmeside. Ved at bruge den dengang nylige Gemini meteorregn som et eksempel, han skrev:

"Faktisk, fra satellitobservationer af meteorstier, det anslås, at omkring 100-300 tons (tons) materiale rammer Jorden hver dag. Det svarer til omkring 30, 000 til 100, 000 tons om året. Det kan virke som meget, men over en million år, det ville kun udgøre mindre end en milliardtedel af en procent af Jordens samlede masse."

Imidlertid, mens han fortsætter med at forklare, Jorden mister også masse på regelmæssig basis gennem en række processer. Disse omfatter radioaktivt henfald af materiale i jordskorpen, som fører til energi og subatomare partikler (alfa, beta- og gammastråler) forlader vores planet. Et andet er atmosfærisk tab, hvor gasser som brint og helium går tabt til rummet. Sammen, disse summer op til et tab på omkring 110, 000 tons om året.

På overfladen, dette ville virke som et nettotab på omkring 10, 000 tons eller mere årligt. Hvad mere er, mikrobiolog/videnskabsformidler Dr. Chris Smith og Cambridge-fysiker Dave Ansell anslog i 2012, at Jorden vinder 40, 000 tons støv om året fra rummet, mens den taber 90, 000 om året gennem atmosfæriske og andre processer.

Så det kan være muligt, at Jorden bliver lettere med en hastighed på 10, 000 til 50, 000 tons om året. Imidlertid, hastigheden, hvormed materiale tilsættes, er ikke godt begrænset på dette tidspunkt, så det er muligt, at vi måske er ved at gå i balance (selvom muligheden for, at Jorden tager på i masse, virker usandsynlig). Hvad angår vores solsystem, situationen er den samme. På den ene side, interstellar gas og støv strømmer ind hele tiden.

På den anden side, vores sol – som tegner sig for 99,86 procent af solsystemets masse – afgiver også masse over tid. Ved at bruge data indsamlet af NASAs MESSENGER-sonde, et hold af NASA og MIT forskere konkluderede, at solen taber masse på grund af solvind og indre processer. Ifølge Ask an Astronomer, dette sker med en hastighed på 1,3245 ​​x 10 ¹⁵ tons om året, selvom solen udvider sig samtidigt.

Det er et svimlende tal, men solen har en masse på omkring 1,9885×10 ²⁷ tons. Så det vil ikke blinke ud lige nu. Men da den taber masse, dens gravitationspåvirkning på Jorden og de andre planeter vil aftage. Imidlertid, når vores sol når slutningen af ​​sin hovedsekvens, det vil udvide sig betydeligt og kan meget vel sluge kviksølv, Venus, Jorden og endda Mars fuldstændigt.

Så selvom vores galakse kan vinde masse i en overskuelig fremtid, det ser ud til, at vores sol og Jorden selv langsomt taber masse. Dette skal ikke ses som dårlige nyheder, men det har konsekvenser i det lange løb. I mellemtiden, det er lidt opmuntrende at vide, at selv de ældste og mest massive objekter i universet er udsat for forandring som levende væsner.

Uanset om vi taler om planeter, stjerner, eller galakser, de er født, de lever og de dør. Og ind imellem, de kan stole på at tage på eller tabe et par pund. Livets cirkel, udspillet sig på den kosmiske skala.