![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
atandakil_gunzeЕсли вдруг какому-то читателю пришло в голову читать все, что я здесь пишу, то этот читатель знает, что скорость, с которой формировались крупные галактики, как правило, была выше, чем скорость, с которой формировались современные галактики малого размера.
Результат оказывается простым - вначале в близком к современному виду сформировались гигантские галактики - а уж потом продолжали формирование маленькие. И, к примеру, Млечный путь, а уж тем более, гигантская эллиптическая галактика Дева А - ближайшая к нам (60 миллионов световых лет) галактика класса D https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/2388.html, которая превосходит по массе нашу Галактику более, чем на порядок - пребывают в близком к современному состоянии куда дольше, чем какие-нибудь Магеллановы облака (которые, кстати, все еще продолжают активно изменяться).
Этот эффект именуется даунсайзингом (downsizing).
К счастью этот термин, в отличие от несчастной страпельки (strangelet), на русский язык не переводили - но мне очень интересно, что бы было, если бы его перевести попробовали (страпелька - русскоязычное название гипотетических макроскопических объектов, обладающих ненулевым значением странности (квантового числа, присущего s-кваркам). По аналогии с этим термином Ваш покорный слуга для аналогичных объектов, имеющих нескомпенсированное квантовое число, присущее c, b или t-кваркам (соответственно, очарование, красота и правдивость) предлагал термины очаровапелька, красивопелька и правдивопелька).
Вопрос о причинах даунсайзинга тесно связан с вопросом о том, отчего одни галактики - большие, а другие - маленькие.
Понятно, что гигантские галактики образованы слияниями и поглощениями карликовых - но разницы в массах между крупнейшими и наименьшими из известных галактик, которая может составлять четыре, пять, а то и семь порядков (см. предыдущий пост) это не объясняет. Для того, чтобы слияния галактик (большой мерджинг) и поглощение более крупными из них мелких (малый мерджинг) привело к наблюдаемым различиям масс, нужно заметное неравенство начальных условий для галактик - проще говоря, уже вскоре после появления на свет первых галактик одни из них должны были быть заметно более массивными, чем другие. А это в свою очередь означает, что в процессе формирования первых галактик должен был действовать механизм их дифференциации по массе, который позволял бы расти более крупным галактикам и тормозил рост мелких. Такой механизм был образно назван "эффектом Матфея" в соответствии с евангельской притчей, согласно которой "имущему дастся и приумножится, а у неимущего отнимется и то, что имеет" (Матф. 25:29).
Оказалось, такой эффект в ранней Вселенной действительно имел место, и связан он был с реионизацией - начавшимся примерно через 150 миллионов после рождения Вселенной и закончившимся на втором миллиарде лет ее существования процессом вторичной ионизации (реионизации) водорода излучением первых звезд (типа населения III, не доживших до нашего времени), новорожденных квазаров и галактик. В те времена Вселенная была гораздо плотнее, свободного газа - гораздо больше, процессы рождения звезд и формирования галактик - куда более бурными, чем в более поздние времена, что и привело к реионизации - столь важному процессу, что его выделяют в отдельную эру в жизни нашего мира.
Итак, после возникновения первых звезд (звезд первого поколения, третьего типа населения), которые, напомню, были яркими гигантами, их излучение начало ионизировать ранее нейтральный водород, наполнявший Вселенную. В результате излучение звезд первого поколения начало "выдувать" водород из районов звездообразования, тормозя процесс формирования новых звезд и рост галактик. Те из формирующихся галактик, которые случайно оказывались ненамного более массивными, чем их соседи, могли сохранить за счет своего притяжения немного больше газа - и постепенно продолжать рост. А те, которые были ненамного меньше (или начали образовываться чуть позже), обладали более слабым притяжением, теряли газ быстрее - и, соответственно, росли медленнее. В результате незначительные различия в исходной массе в ходе первичного звездообразования и реионизации заметно увеличивались. А дальше, чем более крупной оказывалась галактика, тем быстрее она росла.
Процесс дифференциации еще ускорился после формирования первых квазаров, ультрафиолетовое излучение которых резко увеличило реионизацию водорода и привело к ионизации ранее нейтрального гелия. В результате звездообразование в небольших галактиках почти совсем прекратилось - а те галактики, которые в начальном периоде реионизации успели набрать массу, продолжали расти, потому что их гравитация уже позволяла не только сохранить собственный газ, но и захватывать межгалактический, несмотря на его нагрев и ионизацию.
Таким образом, в течение эры реоинизации рост галактик напрямую зависел от их массы, в результате чего небольшие начальные различия в массах первичных протогалактик могли вырасти на два-три порядка, или же незначительная разница в начальном периоде образования могла привести к столь существенной разнице в массе образовавшихся галактик.
Их всего этого вытекает интересное следствие. Коль скоро древние карликовые галактики - это галактики, которым "не повезло", и они то ли в результате изначально меньшей массы, то ли в результате чуть более позднего начала роста не смогли удержать в достаточном количестве газ - следовательно, по логике вещей, газ и сформированные из него звезды должны составлять небольшую, меньшую, чем у массивных галактик, долю их массы, а темная материя должна играть в балансе их массы большую роль, чем у гигантских галактик.
И что интересно - этот факт был известен ранее. Действительно, древние карликовые галактики состоят практически только из темной материи, а некоторые, про которые я писал, вообще не содержат звезд в достаточно заметном количестве. Еще недавно убедительных объяснений этого феномена не было.
Именно эффект Матфея, связанный с реионизацией, является основной причиной даунсайзинга и наблюдаемого различия масс галактик.
Существует еще одна причина даунсайзинга. Она связана с упоминавшимся мной фактом - большие эллиптические галактики в течение большей части жизни Вселенной появлялись практически в том же темпе, в каком она расширялась, то есть, в темпе падения ее плотности.
Задумаемся. В древнейшие времена расстояния между галактиками были намного меньшими, места во Вселенной было мало, и более тесные скопления галактик чрезвычайно быстро, порой за две-три сотни миллионов лет успевали слиться в одну сверхгигантскую галактику. А в более поздние времена происходили менее бурные слияния меньших и более "рыхлых" скоплений, оставлявшие после себя более молодые и менее крупные эллиптические галактики. Так что становится понятным - даже этой причины хватило бы на то, чтобы самые большие галактики образовывались в древнейшие времена, а меньшие по размерам - позже.
Вообще, о том, насколько за последние времена упала интенсивность взаимодействия галактик, позволяют судить следующие статистические данные: шесть миллиардов лет назад доля галактик, морфология которых была грубо искажена процессами взаимодействия с соседями, превышала современную примерно в пять-шесть раз, и такие галактики составляли около трети всех галактик Вселенной.
В целом, считается, что темп мерджингов и взаимодействий галактик со временем падает примерно обратно пропорционально третьей-четвертой степени красного смещения (точнее, пропорционально (1+z)^(3...4)). Если пересчитать красное смещение в расстояния, можно увидеть, что, к примеру, пять миллиардов лет назад галактики взаимодействовали примерно в четыре-пять раз чаще, чем сейчас, восемь миллиардов лет назад - раз в пятнадцать-двадцать, а одиннадцать миллиардов лет назад (поздняя эпоха формирования сверхгигантских эллиптических галактик) - так уже на два порядка чаще. (Кстати, соответственно, и темп звездообразования был максимальным одиннадцать миллиардов лет назад, превосходя нынешний раз в тридцать). Ну, а двенадцать миллиардов лет назад частота взаимодействия галактик и вообще превосходила нынешнюю во много сотен раз... Так что удивляться нечему - нынешние большие мерджинги типа грядущего слияния Млечного пути с галактикой Андромеды - это уже редкие реликты бурных процессов былого.
(И примечание - Вы же понимаете, что процессы слияния галактик и формирования их структур определяются, первую очередь, темной материей, а вовсе не теми компонентами галактик, которые мы можем наблюдать (барионной материей)!).
А в дополнение к сказанному стоит сказать, что есть еще один механизм, который не только участвовал в дифференциации массы, но и во многом определял начальную неоднородность масс галактик - он связан с крупномасштабной неоднородностью Вселенной.
К тому моменту, когда галактики только начинали формироваться, распределение масс темной материи (а вслед за ней - и барионного вещества) уже было заметно неоднородным (об этом речь еще пойдет позже).
При этом следует иметь в виду, что в ранние времена галактики росли вовсе не так, как сейчас. В последнее время (в смысле, в последние десять-двенадцать миллиардов лет) основным источником роста массы галактик является мерджинг - слияние и поглощение галактик. А вот в течение первых сотен миллионов лет существования Вселенной галактики росли преимущественно за счет аккреции свободного вещества, оставшегося от Большого взрыва (даже несмотря на то, что Вселенная тогда была намного меньше, и сталкиваться юным галактикам было куда легче, о чем сказано выше). И вот тут галактики, росшие на тучных пажитях, сиречь, в местах большего сгущения материи (на фронте акустических волн, которые формировали крупномасштабную структуру Вселенной, в первую очередь - в центральных областях будущих сверхскоплений и гиперскоплений), оказывались в более выгодном положении - они могли захватить больше вещества.
Моделирование и наблюдения показывают, что в течение первого миллиарда лет существования Вселенной темп роста галактик за счет аккреции окружающего вещества существенно, от 3 до 15 раз, превышал темп их роста за счет мерджингов, причем первое число относится к основной области будущих сверхскоплений, а второе - к наибольшим сгущениям в их центральной части.
Получается, что удачно расположенные протогалактики до начала реионизации могли расти раза в четыре быстрее, чем прочие, и к началу реионизации оказываться в выгодном положении - становиться достаточно крупными, чтобы, при подавленном росте окружающих галактик сохранять возможность расти.
Кстати, заодно становится понятным механизм, благодаря которому крупнейшие галактики располагаются в центральных областях сверхскоплений и гиперскоплений - там, где плотность как темной, так и видимой материи уже в весьма ранние времена была максимальной.
Так что казалось бы парадоксальный феномен даунсайзинга имеет достаточно простое и логичное объяснение
Результат оказывается простым - вначале в близком к современному виду сформировались гигантские галактики - а уж потом продолжали формирование маленькие. И, к примеру, Млечный путь, а уж тем более, гигантская эллиптическая галактика Дева А - ближайшая к нам (60 миллионов световых лет) галактика класса D https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/2388.html, которая превосходит по массе нашу Галактику более, чем на порядок - пребывают в близком к современному состоянии куда дольше, чем какие-нибудь Магеллановы облака (которые, кстати, все еще продолжают активно изменяться).
Этот эффект именуется даунсайзингом (downsizing).
К счастью этот термин, в отличие от несчастной страпельки (strangelet), на русский язык не переводили - но мне очень интересно, что бы было, если бы его перевести попробовали (страпелька - русскоязычное название гипотетических макроскопических объектов, обладающих ненулевым значением странности (квантового числа, присущего s-кваркам). По аналогии с этим термином Ваш покорный слуга для аналогичных объектов, имеющих нескомпенсированное квантовое число, присущее c, b или t-кваркам (соответственно, очарование, красота и правдивость) предлагал термины очаровапелька, красивопелька и правдивопелька).
Вопрос о причинах даунсайзинга тесно связан с вопросом о том, отчего одни галактики - большие, а другие - маленькие.
Понятно, что гигантские галактики образованы слияниями и поглощениями карликовых - но разницы в массах между крупнейшими и наименьшими из известных галактик, которая может составлять четыре, пять, а то и семь порядков (см. предыдущий пост) это не объясняет. Для того, чтобы слияния галактик (большой мерджинг) и поглощение более крупными из них мелких (малый мерджинг) привело к наблюдаемым различиям масс, нужно заметное неравенство начальных условий для галактик - проще говоря, уже вскоре после появления на свет первых галактик одни из них должны были быть заметно более массивными, чем другие. А это в свою очередь означает, что в процессе формирования первых галактик должен был действовать механизм их дифференциации по массе, который позволял бы расти более крупным галактикам и тормозил рост мелких. Такой механизм был образно назван "эффектом Матфея" в соответствии с евангельской притчей, согласно которой "имущему дастся и приумножится, а у неимущего отнимется и то, что имеет" (Матф. 25:29).
Оказалось, такой эффект в ранней Вселенной действительно имел место, и связан он был с реионизацией - начавшимся примерно через 150 миллионов после рождения Вселенной и закончившимся на втором миллиарде лет ее существования процессом вторичной ионизации (реионизации) водорода излучением первых звезд (типа населения III, не доживших до нашего времени), новорожденных квазаров и галактик. В те времена Вселенная была гораздо плотнее, свободного газа - гораздо больше, процессы рождения звезд и формирования галактик - куда более бурными, чем в более поздние времена, что и привело к реионизации - столь важному процессу, что его выделяют в отдельную эру в жизни нашего мира.
Итак, после возникновения первых звезд (звезд первого поколения, третьего типа населения), которые, напомню, были яркими гигантами, их излучение начало ионизировать ранее нейтральный водород, наполнявший Вселенную. В результате излучение звезд первого поколения начало "выдувать" водород из районов звездообразования, тормозя процесс формирования новых звезд и рост галактик. Те из формирующихся галактик, которые случайно оказывались ненамного более массивными, чем их соседи, могли сохранить за счет своего притяжения немного больше газа - и постепенно продолжать рост. А те, которые были ненамного меньше (или начали образовываться чуть позже), обладали более слабым притяжением, теряли газ быстрее - и, соответственно, росли медленнее. В результате незначительные различия в исходной массе в ходе первичного звездообразования и реионизации заметно увеличивались. А дальше, чем более крупной оказывалась галактика, тем быстрее она росла.
Процесс дифференциации еще ускорился после формирования первых квазаров, ультрафиолетовое излучение которых резко увеличило реионизацию водорода и привело к ионизации ранее нейтрального гелия. В результате звездообразование в небольших галактиках почти совсем прекратилось - а те галактики, которые в начальном периоде реионизации успели набрать массу, продолжали расти, потому что их гравитация уже позволяла не только сохранить собственный газ, но и захватывать межгалактический, несмотря на его нагрев и ионизацию.
Таким образом, в течение эры реоинизации рост галактик напрямую зависел от их массы, в результате чего небольшие начальные различия в массах первичных протогалактик могли вырасти на два-три порядка, или же незначительная разница в начальном периоде образования могла привести к столь существенной разнице в массе образовавшихся галактик.
Их всего этого вытекает интересное следствие. Коль скоро древние карликовые галактики - это галактики, которым "не повезло", и они то ли в результате изначально меньшей массы, то ли в результате чуть более позднего начала роста не смогли удержать в достаточном количестве газ - следовательно, по логике вещей, газ и сформированные из него звезды должны составлять небольшую, меньшую, чем у массивных галактик, долю их массы, а темная материя должна играть в балансе их массы большую роль, чем у гигантских галактик.
И что интересно - этот факт был известен ранее. Действительно, древние карликовые галактики состоят практически только из темной материи, а некоторые, про которые я писал, вообще не содержат звезд в достаточно заметном количестве. Еще недавно убедительных объяснений этого феномена не было.
Именно эффект Матфея, связанный с реионизацией, является основной причиной даунсайзинга и наблюдаемого различия масс галактик.
Существует еще одна причина даунсайзинга. Она связана с упоминавшимся мной фактом - большие эллиптические галактики в течение большей части жизни Вселенной появлялись практически в том же темпе, в каком она расширялась, то есть, в темпе падения ее плотности.
Задумаемся. В древнейшие времена расстояния между галактиками были намного меньшими, места во Вселенной было мало, и более тесные скопления галактик чрезвычайно быстро, порой за две-три сотни миллионов лет успевали слиться в одну сверхгигантскую галактику. А в более поздние времена происходили менее бурные слияния меньших и более "рыхлых" скоплений, оставлявшие после себя более молодые и менее крупные эллиптические галактики. Так что становится понятным - даже этой причины хватило бы на то, чтобы самые большие галактики образовывались в древнейшие времена, а меньшие по размерам - позже.
Вообще, о том, насколько за последние времена упала интенсивность взаимодействия галактик, позволяют судить следующие статистические данные: шесть миллиардов лет назад доля галактик, морфология которых была грубо искажена процессами взаимодействия с соседями, превышала современную примерно в пять-шесть раз, и такие галактики составляли около трети всех галактик Вселенной.
В целом, считается, что темп мерджингов и взаимодействий галактик со временем падает примерно обратно пропорционально третьей-четвертой степени красного смещения (точнее, пропорционально (1+z)^(3...4)). Если пересчитать красное смещение в расстояния, можно увидеть, что, к примеру, пять миллиардов лет назад галактики взаимодействовали примерно в четыре-пять раз чаще, чем сейчас, восемь миллиардов лет назад - раз в пятнадцать-двадцать, а одиннадцать миллиардов лет назад (поздняя эпоха формирования сверхгигантских эллиптических галактик) - так уже на два порядка чаще. (Кстати, соответственно, и темп звездообразования был максимальным одиннадцать миллиардов лет назад, превосходя нынешний раз в тридцать). Ну, а двенадцать миллиардов лет назад частота взаимодействия галактик и вообще превосходила нынешнюю во много сотен раз... Так что удивляться нечему - нынешние большие мерджинги типа грядущего слияния Млечного пути с галактикой Андромеды - это уже редкие реликты бурных процессов былого.
(И примечание - Вы же понимаете, что процессы слияния галактик и формирования их структур определяются, первую очередь, темной материей, а вовсе не теми компонентами галактик, которые мы можем наблюдать (барионной материей)!).
А в дополнение к сказанному стоит сказать, что есть еще один механизм, который не только участвовал в дифференциации массы, но и во многом определял начальную неоднородность масс галактик - он связан с крупномасштабной неоднородностью Вселенной.
К тому моменту, когда галактики только начинали формироваться, распределение масс темной материи (а вслед за ней - и барионного вещества) уже было заметно неоднородным (об этом речь еще пойдет позже).
При этом следует иметь в виду, что в ранние времена галактики росли вовсе не так, как сейчас. В последнее время (в смысле, в последние десять-двенадцать миллиардов лет) основным источником роста массы галактик является мерджинг - слияние и поглощение галактик. А вот в течение первых сотен миллионов лет существования Вселенной галактики росли преимущественно за счет аккреции свободного вещества, оставшегося от Большого взрыва (даже несмотря на то, что Вселенная тогда была намного меньше, и сталкиваться юным галактикам было куда легче, о чем сказано выше). И вот тут галактики, росшие на тучных пажитях, сиречь, в местах большего сгущения материи (на фронте акустических волн, которые формировали крупномасштабную структуру Вселенной, в первую очередь - в центральных областях будущих сверхскоплений и гиперскоплений), оказывались в более выгодном положении - они могли захватить больше вещества.
Моделирование и наблюдения показывают, что в течение первого миллиарда лет существования Вселенной темп роста галактик за счет аккреции окружающего вещества существенно, от 3 до 15 раз, превышал темп их роста за счет мерджингов, причем первое число относится к основной области будущих сверхскоплений, а второе - к наибольшим сгущениям в их центральной части.
Получается, что удачно расположенные протогалактики до начала реионизации могли расти раза в четыре быстрее, чем прочие, и к началу реионизации оказываться в выгодном положении - становиться достаточно крупными, чтобы, при подавленном росте окружающих галактик сохранять возможность расти.
Кстати, заодно становится понятным механизм, благодаря которому крупнейшие галактики располагаются в центральных областях сверхскоплений и гиперскоплений - там, где плотность как темной, так и видимой материи уже в весьма ранние времена была максимальной.
Так что казалось бы парадоксальный феномен даунсайзинга имеет достаточно простое и логичное объяснение
