GALAKSIJE

Galaksije su osnovne jedinice u kozmologiji. One sadrže zvijezde, plin, prašinu i mnogo tamne tvari. One nam služe kao jedini „znakovi“ na putu odavde pa sve do kraja Svemira i sadrže fosilne ostatke iz ranijih vremena.

Fizika galaksija je složena jer se bavi proučavanjem dinamike zvijezda (gravitacijske interakcije), termodinamikom plinova i proizvodnjom energije u zvijezdama. Na primjer, zvijezde nastaju iz oblaka plina, ali novo nastale zvijezde griju ove oblake plina, koji se uslijed toga raspadaju i tako zaustavljaju formiranje drugih zvijezda.

1.2 Protogalaksije

Nakon rekombinacije, mjesta povećane gustoće se ili povećavaju ili nestaju. Prema hibridnom top-down/bottom-up scenariju, nastaju brojni oblici različitih veličina. Maleni i oni velike gustoće prvi doživljavaju kolaps, veći se sporije formiraju i zatim rasipaju.

Prve grude (hrpe) koje su se oslobodile ekspanzije Svemira uglavnom su bile sačinjene od tamne tvari i ponešto neutralnog vodika sa malom količinom helija. Jednom kada se su ovi objekti počeli urušavati pod vlastitom gravitacijom, nazivamo ga protogalaksijom. Prve protogalaksije su se pojavile prije oko 14 milijardi godina.

Prijevod sa slike:
Protogalaksije
Područja tamne tvari i plina iz vremena rekombinacije se urušavaju pod vlastitom težinom kako bi formirali protogalaksije
Gravitacija razdvaja protogalaksije u jezgru i okolno područje. Barioni koji tvore plin sada mogu međusobno djelovati te gube energiju i padaju u jezgru protogalaksije. Tamna tvar, koja ima slabu interakciju ostaje u okolnim prostoru

Uočite da se tamna materija i obična materija (u ovom trenutku u obliku plina vodika i helija) u ovom trenutku razdvajaju. Plin može gubiti energiju uslijed kolizija. Atomi plina se sudaraju i griju, toplina se zrači u obliku infracrvenog zračenja (svjetla) i rezultat je da plin gubi energiju, sporije se kreće = urušava se u središte. Tamna materija nema ovakve interakcije i nastavlja kružiti okolnim prostorom.

1.3 Nastanak prvih zvijezda

Plin u protogalaksijama gubi energiju, a njegova gustoća raste. Formiraju se oblaci plina i kreću se u orbitama oko protogalaksija. Kada se dva oblaka sudare, dolazi do sabijanja (komprimiranja) plina na mjestima (frontama) sudara.

Na ovaj način su se formirale prve zvijezde u galaksijama. Kada dođe do produkcije prvih fotona uslijed termonuklearne fuzije, nastaju prvobitne galaksije.

Područja formiranja zvijezda u tim prvobitnim galaksijama su veoma nalik regijama u kojima zvijezde nastaju u galaksijama koje danas promatramo. Dolazi do grupiranja mladih zvijezda unutar oblaka užarenog plina. Plin će na kraju biti istisnut i nastat će klaster zvijezda.

Prve zvijezde u našoj galaksiji su globularni klasteri zvijezda (globular star clusters) i one kruže oko zvjezdanog diska u krakovima spiralnih galaksija. Većina galaksija u kojima se i danas formiraju nove zvijezde imaju unutar sebe stare zvijezde iz epohe prvog formiranja zvijezda prije 14 milijardi godina.

1.4 Smrt zvijezde

Zvijezde najveće mase završavaju svoj život kao supernove, destrukciji zvijezde u obliku snažne eksplozije. Supernove nastaju u trenutku kada zvijezde iskoriste svoje unutarnje gorivo u obliku vodika i uruše se pod svojom vlastitom težinom. Vodik koji se urušava sa vanjskih područja zvijezde dolazi do jezgre i izaziva eksploziju.

Prijevod sa slike:
Supernova
Veoma masivne zvijezde se urušavaju uslijed vlastite težine i eksplodiraju u supernove. Supernova će pri tome na nekoliko dana zasvijetliti kao milijuni zvjezda zajedno.
Ovojnica ispunjena plinovima, obogaćena teškim elementima, pri tom je izbačena u galaksiju

Tijekom eksplozije se odvija ubrzana fuzija i proizvode se svi elementi periodnog sustava iza litija. Ovo je jedini način proizvodnje teških elemenata i to je izvor svih elemenata koji tvore naše tijelo.

Ovojnica obogaćenog plina je izbačena u područja u kojima se nalazi plin unutar galaksija. Prema tome, što je neka galaksija starija, to je njen plin bogatiji teškim elementima, taj proces nazivamo kemijskom evolucijom.

1.5 Spajanje / interakcija galaksija

Nakon formiranja, galaksije još mogu mijenjati svoj izgled i brzinu kojom stvaraju zvijezde uslijed interakcije sa drugim zvijezdama. Galaksije kruže jedne oko drugih unutar klastera. Kruženja mogu nekada dovesti do situacije kada dvije galaksije prolaze blizu jedna druge i tada one mogu izazvati zanimljiva zbivanja.

Čvrsti objekti, poput planeta, mogu proći jedan pored drugog bez vidljivih efekata. Međutim, galaksije nisu čvrste strukture, i mogu doživjeti neelastične sudare, što znači da se dio energije sudara prenosi unutar galaksije na zvijezde i plin u njima.

Snažne sile često izazivaju formiranje novih zvijezda i ometu spiralno kretanje galaksija. Ukoliko se dovoljno energije prenese u unutrašnjost na same zvijezde, u tom slučaju se galaksije mogu spojiti. Spajanja galaksija su najčešća u gustim okolinama (okruženjima), poput klastera galaksija.

2 SUDBINA SVEMIRA

2.1 Svemir danas

Današnji Svemir je bogat galaksijama različitih tipova, klasterima galaksija, strukturama velikih razmjera i egzotičnim fenomenima (poput galaktičkih crnih rupa). Same galaksije sadrže zvijezde različitih veličina, svjetline i boja, kao i podučja plina i prašine u kojima se formiraju nove zvijezde. Sumnjamo da mnoge zvijezde imaju oko sebe planete, vlastite solarne sustave, potencijalna utočišta života.

2.2 Promjena smjera toka vremena

Ukoliko je Svemir zatvoren, tada možemo očekivati da se smjer vremena, koji je definiran entropijom preokrene. To se čini kao prirodna veza između Svemira koji se širi i činjenice da se toplina udaljava od užarenih područja (poput zvijezda) u područja niže temperature (poput vanjskog (okolnog) prostora). Dakle ukoliko širenje prostora promjeni smjer, da li će u tom slučaju i entropija krenuti drugim smjerom?

Ovakav oblik Svemira nema stvaran početak ni kraj, i naziva se oscilirajući Svemir. Uočite da nije moguće odrediti na kojoj se strani vi trenutno nalazite s obzirom da vrijeme promjeni smjer i promatraču se sve čini normalno.

2.3 Sudbina svemira

Protekla povijest Svemira je doba ranog, energijom ispunjenog Svemira. Kako se Svemir širio i hladio, fonomeni su postajali sve manje snažni i sve više stabilni.

Zakon Prirode koji je vladao tijekom evolucije Svemira bila je entropija, činjenica da objekti idu iz uređenog stanja u stanje sve većeg nereda. Postoje lokalne točke visokog reda, poput planeta, ali jedino uz cijenu još većeg nereda negdje u blizini.

Ukoliko je Svemir otvoren i ravan (kako nam trenutna mjerenja i teorije sugeriraju) tada će se napredak entropije nastaviti i sudbina Svemira je određena principom užarene smrti, toka energije iz područja visoke temperatutre prema područjima niske temperature.

Sa ovim saznanjima na pameti, predviđamo da će budućnost Svemira proći kroz četiri faze kako se bude nastavljao širiti.

2.4 Era zvijezda

Era zvijezda je vrijeme u kojem mi trenutno živimo, u kojem većina energije Svemira dolazi iz termonuklearnih fuzija u središtima zvijezda. Životni vijek ove ere je određen vremenom koje je potrebno i najmanjoj zvijezdi, onoj sa najmanjom masom, da iskoristi svoje gorivo u obliku vodika.

Što je manja masa zvijezde, to je manja njena jezgra i ona sporije izgara vodik (također nam takve zvijezde izgledaju bljeđe, kao u maglici). Što sporije zvijezda troši svoje gorivo, dulje živi (gdje „život“ definiramo periodom u kojem zvijezda još uvijek svijetli). Prema tome je, najdulji vijek zvijezda čija masa je 1/10 solarne mase (mase našeg Sunca) oko 1014 godina.

Nove zvijezde nastaju iz oblaka plina u galaksijama. Pa ipak, 1014 godina je dovoljno dugačak period da se čitav plin u Svemiru iskoristi. Jednom kada nestanu oblaci plina, čitava materija Svemira će biti u zvijezdama.

2.5 Era degeneracije

Jednom kada ukupna masa zvijezda bude pretvorena u zvijezde, i vodik u središtima tih zvijezda bude iskorišten, Svemir će ući u drugu eru, doba degeneracije. Upotreba riječi degeneracija ovdje nema smisao moralnih vrijednosti Svemira, već degeneracije u fizičkom smislu kojom opisujemo stanje materije koja se ohladila na gustoću pri kojoj su sve elektronske ovojnice atoma ispunjene i u svojim najnižim stanjima.

Tijekom ove faze sve zvijezde su u formi bijelih ili smeđih patuljaka, ili u obliku neutronskih zvijezda i crnih rupa iz ranijih eksplozija. Bijeli i smeđi patuljci su degenerirali u vlastitoj materiji, i postepeno se hlade prelazeći u crne patuljke.

Tijekom ove ere, galaksije se rastvaraju, postepeno kako zvijezde prolaze kroz relaksaciju dvaju tijela (two-body relaksation). Relaksacija dvaju tijela se događa kada dvije zvijezde prođu jedna blizu druge, pri tome jedna zvijezda bude odbačena velikom brzinom i ona napušta galaksiju, druga zvijezda usporava i spaja se sa galaktičkom crnom rupom u središtu jezgre galaksije. Na kraju Svemir ostaje ispunjen slobodnim zvijezdama i gigantskim crnim rupama, ostacima iz središta galaksija.

Svemir će evoluirati prema beskrajnoj mješavini crnih patuljastih zvijezda uz iznimku procesa koji je poznat kao nastajanje (propadanje) protona. Proton je jedan od najstabilnijih elementarnih čestica, ali čak se i proton raspada na pozitrom i mezon jednom u 1032 godina. Prema tome, svi će se protoni koji tvore zvijezde u obliku crnih patuljaka raspasti u slobodne leptone. Sve će ovo trajati oko 1037 godina.

2.6 Era crnih rupa

Jednom kada se svi protoni u Svemiru raspadnu u leptone, jedine organizirane strukture koje će preostati biti će crne rupe. Uz pomoć Hawking-ovog zračenja, znamo da čak ni crne rupe nisu stabilne i da evaporiraju (isparavaju) u elektrone i pozitrone.

Ovaj proces je izuzetno spor, varira obrnuto razmjerano sa masom crne rupe. Za Galaktičke crne rupe vrijeme raspadanja može potrajati i do 10100 godina. Rezultat je hrpa fotona, koji se postupno hlade u Svemiru koji se širi.

2.7 Tamna era

Nakon što su sve crne rupe evaporirale, Svemir se sastoji od mora fotona i neutrina veoma velikih valnih dužina koje se i dalje šire. Ovo je sistem maksimalnog nereda, bez skladnih struktura ili objekata. Nema izvora energije, ali ni mjesta gdje bi se ta energija trošila. Preostalo vrijeme je jednostavno kontinuirano smanjivanje energije sve dok se ne dosegne stanje kvantnog vakuuma.

2.8 Kraj vremena

Ovo je zapravo bilo istraživanje područja moderne kozmologije i potraga za konačnim zakonima Prirode (teorijom Svega) i izvorom Svemira. Iako ostaju brojne, brojne zagonetke u vezi Svemira, barem je osnovna slika onog što nazivamo Big Bang-om, temelj čija svojstva će uvijek ostati neizmjenjena.

Iako su brojni koncepti koji su spomenuti nekako strani, svi su temeljeni na racionalnoj znanstvenoj spoznaji (stvarni svijet je čudniji od bilo čega što mi možemo zamisliti). Pravilan znanstveni model ostavlja manje prostora za iracionalna vjerovanja. Razumijevanje koje je u okvirima znanstvenih metoda uklanja nejasna područja na našim mapama, mjesta na kojima smo nekada crtali čudovišta i zlatne gradove. Ovo znanje prigušuje naše strahove poput svijeće u mraku.

PROČITAJ / PREUZMI I DRUGE SEMINARSKE RADOVE IZ OBLASTI:

GALAKSIJE - Nastajanje galaksija i njihov kraj

1.1 Nastajanje galaksija