Search
Tuesday, November 21, 2017 ..:: Articles » Ellipticals ::..   Login

 Σύντομο Ταξίδι στον κόσμο των Ελλειπτικών Γαλαξιών

   

Σήμερα στην σειρά «Το σύμπαν σε φωτογραφίες και οι μικρές ιστορίες του» σκοπεύουμε να κάνουμε ένα μικρό ταξίδι στον κόσμο των ελλειπτικών γαλαξιών.

Αφορμή για αυτό μας το ταξίδι δεν είναι ο  υπέροχος Γαλαξίας της Ανδρομέδας που φαίνεται στην παραπάνω φωτογραφία πού έχει ληφθεί από το αστεροσκοπείο μου, άλλωστε ο Γαλαξίας της Ανδρομέδας είναι κλασικός σπειροειδής και αφορμή για την περιήγησή μας θα αποτελέσει  ο μεγαλύτερος από τους δύο ελλειπτικούς συνοδούς του.

Η προσοχή μας λοιπόν θα στραφεί στον ελλειπτικό γαλαξία Μ110 που βρίσκεται δεξιά από τον Γαλαξία της Ανδρομέδας στην φωτογραφία.  Ο Μ110 αναφέρεται συχνά σαν ένα σφαιροειδής νανογαλαξίας και όχι γενικά σαν ένας ελλειπτικός. Βρίσκεται περίπου στην ίδια απόσταση με τον Γαλαξία της Ανδρομέδας δηλαδή περίπου 2.9 εκατομμύρια έτη φωτός από την Γη και έχει αρκετά ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που στην συνέχεια θα φανεί για ποιο λόγο διάλεξα αυτό τον γαλαξία παρόλο που δεν είναι ένας κλασικός εκπρόσωπος των ελλειπτικών γαλαξιών.

Πριν μιλήσουμε ξανά για τον Μ110 ,τον οποίο βλέπουμε στην παρακάτω φωτογραφία σε μεγένθυνση, θα πούμε μερικά γενικά πράγματα για τους ελλειπτικούς Γαλαξίες και για κάποιες ιδιότητές τους που τους κάνουν να ξεχωρίζουν από τους υπόλοιπους γαλαξίες. 

Συνήθως έχουμε συνδέσει τους ελλειπτικούς γαλαξίες με βαρετά γηραιά απλά συστήματα που αποτελούνται από ηλικιωμένα αστέρια , που δεν παρουσιάζουν ιδιαίτερη αστροσύνθεση αφού θεωρούσαμε ότι αντιπροσωπεύουν συστήματα χωρίς διαστρική σκόνη και διαστρικό αέριο που είναι απαραίτητα για την διαδικασία της αστροσύνθεσης.

Επιπλέον η θεωρία για τον σχηματισμό τους περιελάβανε μια διαδικασία   κατάρρευσης ενός γιγαντιαίου πρωτογαλαξιακού μονολιθικού νέφους με βίαιη χαλάρωση των άστρων του συστήματος . Με τον όρο μονολιθικό εννοείται ότι τα αστέρια του γαλαξία σχηματίστηκαν όλα περίπου στον ίδιο χρόνο καθώς ο γαλαξίας  σχημάτιζε το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του από το πρωταρχικό νέφος , αυτό σημαίνει ότι ο γαλαξίας έχασε όλο του το αέριο στην αρχική φάση σχηματισμού των αστέρων. Ο όρος «βίαιη χαλάρωση» των άστρων αναφέρεται στην διαδικασία εκτροπής των ατομικών  τροχιών των άστρων από εκείνες που θα είχε αν η κατανομή της ύλης ήταν απολύτως ομαλή.

Αυτά τα δύο χαρακτηριστικά δηλαδή η έλλειψη αερίου και η απόκλιση των τροχιών των αστέρων είναι παρατηρησιακά χαρακτηριστικά που το μοντέλο όφειλε να εξηγεί.

Εν πολλοίς η παραπάνω εικόνα δεν φαίνεται να ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα. Οι τελευταίες απόψεις είναι ότι οι ελλειπτικοί γαλαξίες είναι αρκετά περίπλοκα συστήματα. Δεν είναι απλά συστήματα όπως πιστευόταν , αλλά περιέχουν υποσυστήματα όπως και οι σπειροειδείς γαλαξίες. Κάποιοι περιέχουν ασθενείς δίσκους με πυρήνες, ενώ οι περισσότεροι έχουν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο τους.  Περιέχουν επίσης αρκετό αέριο θερμό που εκπέμπει όμως στις ακτίνες Χ και κάποιοι περιέχουν ακόμη και ψυχρό αέριο και μερικές φορές περιέχουν και σκόνη, ενώ παρατηρείται και σχηματισμός νέων αστέρων.

Η σύγχρονη άποψη για τον σχηματισμό των Ελλειπτικών αποδέχεται το ιεραρχικό μοντέλο συγχώνευσης και το μοντέλο μέσω της συγχώνευσης σπειροειδών γαλαξιών . Κατά το πρώτο, από παρατηρισιακές ενδείξεις, πιστεύεται ότι ομάδες γαλαξιών μπορούν να βρεθούν στην διαδικασία συγχώνευσης για τον σχηματισμό υπερμεγεθών Ελλειπτικών Γαλαξιών. Σε αυτή την εκδοχή οι γαλαξίες θα σχηματίσουν τα περισσότερα από τα αστέρια τους από νωρίς σαν μικροί γαλαξίες, αλλά συσσωρεύουν το μεγαλύτερο μέρος της μάζας τους αργότερα μέσω συγχωνεύσεων. Μελέτες (*3) έχουν βρει ένα μεγάλο αριθμό γαλαξιών με παλιά αστέρια όπου εμφανίζονται σημάδια ότι συγχωνεύθηκαν πρόσφατα με άλλους γαλαξίες που προστέθηκαν στη μάζα τους.

Κατά το δεύτερο μοντέλο πιστεύεται ότι αρκετοί ελλειπτικοί πιθανόν να έχουν σχηματιστεί από συγκρούσεις σπειροειδών γαλαξιών. Σε μια τέτοια περίπτωση η ενέργεια που εμπλέκεται στην σύγκρουση καταστρέφει την δισκοειδή δομή και στους δύο γαλαξίες και προκαλεί στο συγχωνευμένο σύστημα να φτάσει στην χαρακτηριστική κατανομή ενός ελλειπτικού γαλαξία  (r^0,25 βλέπε παρακάτω) . Σε τέτοιες συγκρούσεις υπερισχύει η λεγόμενη δυναμική τριβή ή όπως επίσης καλείται και βαρυτική αντίσταση η οποία καταλήγει για τα συγκρουόμενα σώματα να χάσουν την ορμή τους και την κινητική τους ενέργεια εξαιτίας των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων που υφίστανται από την ύλη των συγκρουόμενων σωμάτων. 

Στην παρακάτω φωτογραφία βλέπουμε μια προσομείωση Ν-Σωμάτων, συγχώνευσης δύο σπειροειδών γαλαξιών . Κάθε σπειροειδής περιέχει 16000 σωμάτια ενώ το κεντρικό εξόγκωμα περιέχει 4096 σωμάτια. Το αποτέλεσμα είναι ένας ελλειπτικός γαλαξίας με r^1/4 προφίλ (από το βιβλίο - An Introduction to Modern Astrophysics - B. Carrol, D. Ostlie

Έτσι λοιπόν η οργανωμένη περιστροφική κινητική ενέργεια των σπειροειδών γαλαξιών, μετά την συγχώνευση μετατρέπεται σε τυχαία κίνηση, και ο τελικός γαλαξίας που προκύπτει προσομοιάζει σε ελειψοειδές τριών αξόνων που πιστεύεται ότι πλησιάζει πιο κοντά στην δομή των ελλειπτικών γαλαξιών. 

Με αυτό τον τρόπο μια σημαντική διαφορά των σπειροειδών γαλαξιών από τους ελλειπτικούς είναι ότι οι μεν πρώτοι έχουν κινητική ενέργεια που περιέχεται στην περιστροφική κίνηση ενώ οι δεύτεροι έχουν την περισσότερη κινητική ενέργεια σε τυχαία κίνηση. Εξαιτίας αυτού του γεγονότος η δομή των Ελλειπτικών γαλαξιών υποστηρίζεται από την πίεση των αστέρων τους (pressure support) όπως τα μόρια μέσα σε ένα αέριο.

Φαίνεται όμως ότι στα σμήνη των γαλαξιών υπάρχει το κλειδί για την κατανόηση του σχηματισμού των ελλειπτικών γαλαξιών. Ενώ ελλειπτικοί γαλαξίες είναι περίπου το 10% του συνόλου των μοναχικών γαλαξιών , εντούτοις είναι πολύ περισσότερο άφθονοι σε περιοχές με μεγάλη πυκνότητα γαλαξιών όπως σε πλούσια συμπλέγματα γαλαξιών. Αυτό το γεγονός είναι ένα παράδοξο και ένα επιχείρημα εναντίον της υπόθεσης της συγχώνευσης. Σε αυτές τις περιοχές, η μεγάλη σχετική ταχύτητα των γαλαξιών και η δυναμική του σμήνους το οποίο είναι σε κατάσταση ισορροπίας έτσι ώστε το σύστημα της βαρυτικής αλληλεπίδρασης και της δυναμικής ενέργεια έχει σταθεροποιηθεί. Σε τέτοια λοιπόν συστήματα δεν είναι συνηθισμένο να υπάρχουν συγκρούσεις γαλαξιών και γ ‘αυτό και το παράδοξο, σχετικά με τον μηχανισμό που δόμησε αφθονία ελλειπτικών μέσα σε αυτά τα σμήνη.

Ίσως η απάντηση να είναι ότι σχηματίστηκαν από συγχωνεύσεις, νωρίς στην ιστορία των σμηνών, πριν την σταθεροποίηση (Virialization) του σμήνους, όπου η διασπορά των ταχυτήτων του σμήνους ήταν αρκετά μικρή, επιτρέποντας την ιεραρχική συγχώνευση και τον σχηματισμό ελλειπτικών γαλαξιών. Βέβαια ο μηχανισμός συγχώνευσης όπως εξηγήσαμε παραπάνω δεν μπορεί να συνεχίζεται για πάντα και σταματάει όταν το σμήνος είναι εξισορροπημένο (Virialized)

Με τον όρο Virialized εννοούμε ένα σύστημα βαρυτικά αλληλοεπιδρώντων σωμάτων, που είναι σταθερό , σε ένα τέτοια σύστημα η δυναμική ενέργεια είναι διπλάσια της αρνητικής Κινητικής U=-2K

Και ερχόμαστε τώρα στην δομή των Ελλειπτικών Γαλαξιών. Ο τρόπος που ποσοτικοποιούμε την δομή των Ελλειπτικών γαλαξιών, είναι μέσω φωτομετρίας της επιφανείας τους . Αυτό που μετριέται, είναι η επιφανειακή φωτεινότητα ως συνάρτηση της ακτίνας και του αζιμούθιου του γαλαξία. Στην συνέχεια από την φωτεινότητα συσχετίζουμε την ποσότητα της μάζας της φωτεινής ύλης αστέρων , αερίων κλπ και μετατρέπουμε την φωτεινότητα σε μάζα μέσω κινηματικών μετρήσεων των αστέρων. Ο τρόπος που ποσοτικοποιείται η δομή  των γαλαξιών είναι πρώτα μετρώντας το λεγόμενο προφίλ της ακτινική τους φωτεινότητας, δηλαδή πόσο μεταβάλλεται η φωτεινότητά τους κατά μήκος της ακτίνας τους.

Και εδώ υπάρχουν διάφορα προφίλ που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε όπως για παράδειγμα ένα προφίλ που δείχνει ότι η φωτεινότητα πέφτει με την δύναμη του R^1/4 που είναι ο νόμος του Vaucoureurs  Ι(R)=I(0) e^ (-kR^(1/4) ) . Υπάρχουν και άλλα profile όπως το Sersic , to Hubble και ένα προφίλ που έχει κερδίσει πρόσφατα την προσοχή από την ομάδα “Nuker”. 

Στο παραπάνω γράφημα φαίνεται πόσο καλά ταιριάζει με τις μετρήσεις του γαλαξία NGC3379 το profile R^1/4 , δυστυχώς υπάρχουν περιπτώσεις με μεγάλες αποκλίσεις, όπως σε πολύ μικρά radii ειδικά όταν υπάρχει πυρήνας στον γαλαξία.

Έτσι λοιπόν ερχόμαστε στο σχήμα των ελλειπτικών γαλαξιών. Καλούνται ελλειπτικοί διότι το προφίλ της προβαλλόμενης επιφανειακής τους φωτεινότητας (ισοφωτεινές επιφάνειες) φαίνεται όμοιο με μια έλλειψη. Όμως πρέπει να τονίσουμε ότι αυτή η ελλειπτικότητα δεν οφείλεται σε κάποιο μηχανισμό περιστροφής αφού η πλειοψηφία των ελλειπτικών γαλαξιών δεν περιστρέφονται τόσο που να δικαιολογεί αυτό τον μηχανισμό.

Οι ελλειπτικοί γαλαξίες οφείλουν το σχήμα τους στις ανισοτροπικές  ταχύτητες των αστέρων τους. Τέτοιες ανισοτροπικές ταχύτητες μπορούν να υποστηρίξουν συστήματα με τριαξονική ισορροπία όπως έχει αποδειχθεί από τον Schwarzschild με μοντελοποίηση.

Έτσι ερχόμαστε στο παρακάτω σχήμα, όπου βλέπουμε ένα τριαξονικό ελειψοειδές όπου σημειώνονται οι τρεία άξονες του ελιψοειδούς με τα γράματα a,b,c . Πρέπει να έχουμε υπόψην μας, ότι οι ελλειπτικοί γαλαξίες συμβολίζονται με το γράμμα Ε ακολουθούμενο από ένα αριθμό n που αντιπροσωπεύει τον Βαθμό Ελλειπτικότητας Εn. Όπου n=10(1-b/a) ενώ o παράγοντας  ε=(1-b/a) καλείται ελλειπτικότητα. Για παράδειγμα εάν a=2b τότε e=0,5 και n=5 επομένως ο Ελλειπτικός θα συμβολίζεται με Ε5 .

Να σημειωθεί όπως φαίνεται και στο σχήμα ότι η ελλειπτικότητα δεν είναι ένα εγγενές χαρακτηριστικό των ελλειπτικών γαλαξιών αλλά εξαρτάται από την θέση του παρατηρητή.

 

Γενικά η τρισδιάστατη δομή των ελλειπτικών γαλαξιών μπορεί να είναι:

Πεπλατυσμένη a=b>c (Ιπτάμενος δίσκος σχήμα αριστερά)

Ωοειδής : a>b=c  (όπως ένα πούρο σχήμα στο κέντρο)

Τριαξονική : a>b>c  (όπως ένα κουτί με στρογγυλεμένες γωνίες  σχήμα δεξιά)

Σύγχρονες μελέτες έχουν δείξει ότι η δομή των ελλειπτικών γαλαξιών είναι ελαφρώς τριαξονική σφαιροειδής με τυπική σχέση αξόνων

A:B:C ~ 1:0,95:0.65

Στην ουσία η δομή τους είναι αρκετά κοντά στην πεπλατυσμένη  αλλά όχι εντελώς

Ένα άλλο χαρακτηριστικό μερικών ελλειπτικών γαλαξιών είναι ότι η ελλειπτικότητά  των ισοφωτεινών επιφανειών αλλάζει με την με την ακτινική απόσταση από το κέντρο τους και μερικές φορές μάλιστα πολύ ισχυρά. Αυτό το φαινόμενο που είναι γνωστό με τον όρο  ισοφωτεινή συστροφή (isophotal twists) έχει παρατηρηθεί στους ελλειπτικούς γαλαξίες και είναι ένα εσωτερικό χαρακτηριστικό που υποστηρίζει την τριαξονική δομή των ελλειπτικών γαλαξιών (*1) 

 

 

Να σημειώσουμε ότι αυτό το φαινόμενο μπορούμε να το παρατηρήσουμε μόνο αν ο λόγος των αξόνων της έλλειψης αλλάζει με την ακτινική απόσταση και επίσης δεν είναι ορατό όταν παρατηρούμε τον γαλαξία κατά μήκος ενός από τους κύριους άξονες του ελλειψοειδούς.

Το φαινόμενό αυτό λοιπόν μπορούμε να το παρατηρήσουμε σε αρκετούς γαλαξίες και αυτός είναι ο λόγος που έβαλα αυτή την φωτογραφία του Μ110 γιατί σε αυτή την εικόνα είναι αρκετά έντονο. Εάν λοιπόν οι ελλειπτικοί είναι τριαξονικά σφαιροειδή τότε το φαινόμενο της διαφορετικής  ελλειπτικότητας και το φαινόμενο της ισοφωτεινής συστροφής θα μπορούσε να προκαλείται με την αλλαγή της ελλειπτικότητας ανάλογα με την ακτινική απόσταση από το κέντρο τους. Όμως το τι μπορεί να προκαλεί ένα τέτοιο φαινόμενο είναι ακόμη υπό διερεύνηση  , μια απάντηση θα μπορούσε να ήταν η περιστροφή του γαλαξία, που όμως θα πρέπει να απορριφθεί γιατί όπως έχουμε πει το σχήμα τους, τουλάχιστον στους πιο φωτεινούς, οφείλεται στην ανισοτροπία των ταχυτήτων των αστέρων τους. Παρόλα αυτά σε αμυδρούς ελλειπτικούς που είναι πιο κοντά στο πεπλατυσμένο ισοτροπικό μοντέλο μια τέτοια υπόθεση θα μπορούσε να είναι κοντά στην πραγματικότητα (*2).

Για να καταλάβουμε καλύτερα το φαινόμενο της ισοφωτεινής συστροφής θα πρέπει να φανταστούμε, πώς θα προβάλλεται ένα ελλειψοειδές το οποίο περιέχει ισοφωτεινές επιφάνειες που η ελλειπτικότητά τους αλλάζει με την ακτινική απόσταση, όταν το κοιτάζουμε υπό γωνία, δηλαδή όχι παράλληλα με κάποιο από τους κύριους άξονες.

Η απάντηση είναι όπως αυτό στο παρακάτω σχήμα. Για διευκόλυνση ας φανταστούμε ένα σχήμα δισδιάστατο δηλαδή μια προβολή στο επίπεδο ενός τέτοιου τρισδιάστατου ελλειψοειδούς. Το παρακάτω λοιπόν σχήμα βοηθάει περισσότερο μιας και αποτυπώνει την διαφορά στην ελλειπτικότητα που θα είναι δύσκολο να την δούμε σε ένα τρισδιάστατο αντικείμενο.

Τα παραπάνω σχήματα που είναι στο επίπεδο, είναι στην ουσία το ίδιο σχήμα που έχω φωτογραφήσει από διαφορετικές γωνίες . Στο πρώτο σχήμα λοιπόν βλέπετε δύο ελλείψεις εσωτερικά η μία της άλλης αλλά με διαφορετική ελλειπτικότητα. Σημειώστε ότι οι άξονες των δύο ελλείψεων είναι ευθυγραμμισμένοι. Στην δεύτερη φωτογραφία η λήψη πάρθηκε από σημείο στην νοητή προέκταση του μεγάλου άξονα όπου δεν παρατηρούμε κάποια στροφή . Όμως στην τρίτη εικόνα η φωτογραφία πάρθηκε από σημείο που σχηματίζει γωνία ως προς τον μεγάλο άξονα. Παρατηρείστε λοιπόν την τελευταία εικόνα όπου πιά φαίνεται ότι οι δύο άξονες της έλλειψης  να να είναι υπό γωνία , χάρις στο φαινόμενο της ισοφωτεινής συστροφής. Παρόμοιο φαινόμενο θα έχουμε αν μπορούσαμε να φτιάξουμε και να φωτογραφίσουμε ένα αντίστοιχο τρισδιάστατο ελλειψοειδές.

Ερχόμαστε τέλος στον Γαλαξία Μ110 στην παρακάτω φωτογραφία όπου έχει γίνει επεξεργασία αντίστροφης εικόνας, για να τονιστεί το φαινόμενο. Με προσεκτική παρατήρηση μπορούμε να δούμε τις ισοφωτεινές επιφάνειες με έντονο σκούρο και λιγότερο σκούρο χρώμα των οποίων οι άξονές τους είναι υπό γωνία σύμφωνα με όσα εξηγήσαμε παραπάνω και σύμφωνα με το φαινόμενο της ισοφωτεινής συστροφής και του τριαξονικού σφαιροειδούς. 

Κλείνοντας την περιήγηση να πούμε ότι όσα αναφέρθηκαν παραπάνω, είναι μόνο πολύ λίγα από όσα θα μπορούσε κανείς να πει για τους Ελλειπτικούς Γαλαξίες , αρκετά θέματα που τους αφορούν είναι ακόμη υπό διερεύνηση και εμείς αυτό που κάνουμε είναι να ξεδιπλώνουμε μερικές όμορφες και παράξενες πτυχές αυτού του σύμπαντος, πιστεύοντας ότι θα βοηθήσουμε λίγο παραπάνω στην κατανόησή του ιδιαίτερα από τους μη ειδικούς.

Γιώργος Νικολιδάκης  nikoligeo@gmail.com

Ηλεκτρονικός Μηχανικός

Πτυχιούχος Φυσικών Επιστημών

Μετατυχιακός φοιτητής θεωρητικής φυσικής

Πληροφορίες για την φωτογραφία της Ανδρομέδας

Camera : STL11000 

Exposure : 13 Χ 15 min LUM, RED, GREEN, BLUE -20deg Bin 1X1

Telescope : FLT-98 SE Field Flattener 4

Mount : Paramount ME

 http://geonik.homeip.net/home/Andromeda/tabid/337/Default.aspx

 (3*)Μια μελέτη, που δημοσιεύθηκε το 2005 από τον Pieter van Dokkum του Πανεπιστημίου Yale,

(*2)Model of Wilson 1975

(*1)Michalas & Biney 1981 και Kormendy 1982

Πηγές :

Materials from the Educational Course “Galaxies and Cosmology” Caltech University

Βιβλία : - An Introduction to Modern Astrophysics - B. Carrol, D. Ostlie

-Astrophysics – Frank Sue

Πηγές από Πανεπιστημιακά Sites

https://ned.ipac.caltech.edu/level5/March02/Kormendy/Kormendy3_3.html

http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?1987IAUS..127...37J&defaultprint=YES&filetype=.pdf

http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?1978ComAp...8...27B&defaultprint=YES&filetype=.pdf

 

 
 

 

Copyright 2007 by My Website   Terms Of Use  Privacy Statement
DotNetNuke® is copyright 2002-2017 by DotNetNuke Corporation