Widły Hubble’a i klasyfikacja galaktyk

Dodatkowa lektura z www.astronomynotes.com

• Typy galaktyk
• Spirale
• Irregularne

W tym samym czasie, co odkrycie gwiazd cefeidalnych w Andromedzie, Edwin Hubble pracował w połowie lat 20. nad bardziej szczegółowymi badaniami innych galaktyk (chociaż w tym czasie nadal powszechnie nazywano je mgławicami). Często zdarza się, że po odkryciu nowej klasy obiektów astronomowie wymyślają schemat klasyfikacji, który jest pierwszym krokiem do zrozumienia tych obiektów. Hubble’owi przypisuje się stworzenie schematu klasyfikacji galaktyk, który jest zwykle określany jako jego schemat „Tuning Fork”.

Rysunek 9.2: Schemat klasyfikacji „Tuning Fork” Hubble’a z Hubblesite. Jest to klasyczny typ obrazu używany do dziś przez astronomów do pokazania, jak klasyfikowane są galaktyki. Po lewej stronie znajdują się cztery obrazy galaktyk eliptycznych w kolejności od prawie okrągłych / sferoidalnych (typ E0) do bardzo wydłużonych eliptycznych / elipsoidalnych (E7). Następnie znajduje się obraz galaktyki S0, która jest uważana za obiekt przejściowy o pewnych właściwościach podobnych do galaktyk spiralnych, a innych bardziej zbliżonych do galaktyk eliptycznych. W tym miejscu diagramu, kształt „widełek stroikowych” rozwidla się – z trzema obrazami galaktyk spiralnych na górze i trzema obrazami galaktyk spiralnych z poprzeczką na dole. W miarę postępu wzdłuż góry od Sa do Sb do Sc lub wzdłuż dołu od SBa do SBb do SBc, ramiona otwierają się szerzej, a centralna wypukłość staje się mniej widoczna.

Credit: Space Telescope Science Institute

Widelec Hubble’a został odtworzony wiele razy z wieloma różnymi zestawami obrazów galaktyk. Szczególnie szczegółowa wersja została stworzona przez grupę Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey (SINGS). Grupa ta napisała krótki artykuł opisujący ich pracę, który możesz przeczytać. Jeśli chcesz wydrukować to jako pełnowymiarowy plakat dla swojej klasy, udostępnili oni plik TIFF 4200×3600, który zapewnia wystarczającą rozdzielczość, aby to zrobić.

Po zaobserwowaniu zaledwie kilku galaktyk, tak jak zrobił to Hubble, staje się bardzo oczywiste, że istnieje ogromna różnorodność typów. Niektóre są pozbawione cech charakterystycznych, podczas gdy inne mają bardzo wyraźne ramiona spiralne. Poniżej znajdują się linki do szeregu zdjęć różnych typów galaktyk. Po obejrzeniu kilku różnych galaktyk omówimy poniżej schemat klasyfikacji Hubble’a.

Edwin Hubble sklasyfikował galaktyki używając typów, które widzisz zilustrowane na dwóch obrazach widełek stroikowych; ten powyżej i obraz SINGS. Jego główne typy to:

• spirale,
• spirale z poprzeczką,
• eliptyki,
• i nieregularne.

W obrębie każdej z tych grup istnieją również podklasyfikacje.

Spirale

Galaktyka spiralna jest klasyfikowana jako galaktyka S z podklasą a, b, lub c, więc na przykład M51 powyżej jest klasyfikowana jako galaktyka Sb. Podklasy te są podzielone na podstawie dominacji składnika wypukłości galaktyki. W galaktykach Sa, wybrzuszenie dominuje w galaktyce, podczas gdy w galaktykach Sc, wybrzuszenie jest znacznie mniejsze. Jest to oznaczone na widelcu dostrajającym SINGS.

Wygląd ramion spiralnych również zmienia się pomiędzy podklasami a, b i c. W galaktykach Sa ramiona są ciasno owinięte wokół wybrzuszenia, podczas gdy w galaktykach Sc ramiona są znacznie luźniejsze i często wydają się być bardziej zbite niż gładkie ramiona galaktyki Sa. Galaktyki Sb mają właściwości pośrednie między tymi w galaktykach Sa i Sc.

Możemy sklasyfikować galaktyki spiralne typu edge-on na podstawie wyglądu ich wypukłości, nawet bez możliwości zobaczenia ramion spiralnych. Tak więc na przykład widoczna poniżej galaktyka spiralna M104 – Sombrero – może być sklasyfikowana jako galaktyka Sa.

Rysunek 9.3: Obraz Hubble’a M104, galaktyki spiralnej Sa widzianej brzegowo

Oto inna galaktyka spiralna widziana brzegowo, NGC 4565. Czy zgadniesz, do jakiego typu zostanie przypisana, Sa, Sb, czy Sc? Jaka jest najbardziej oczywista różnica między NGC 4565 a M104?

Rysunek 9.4: Naziemny obraz NGC 4565

Credit: NOAO / AURA / NSF

Ponieważ Droga Mleczna jest galaktyką spiralną, można uznać jej własności za ilustrujące galaktyki spiralne w ogóle. Galaktyki spiralne, takie jak Droga Mleczna, często zawierają duże ilości gazu i pyłu, a biorąc pod uwagę obecność gazu, można stwierdzić, że zawierają wiele młodych gwiazd i regionów gwiazdotwórczych. Kolory galaktyk spiralnych różnią się w zależności od miejsca w galaktyce, ale ze względu na obecność gwiazd O&B w tych galaktykach, ich ogólne kolory mają tendencję do bycia w kierunku niebieskiego końca widma.

Galaktyki spiralne z poprzeczką

W niektórych galaktykach spiralnych, wybrzuszenie ma dobrze zdefiniowaną poprzeczkę, która przechodzi przez wybrzuszenie. Hubble sklasyfikował te galaktyki określając je jako galaktyki SB z podklasami a, b i c, tak jak normalne spirale. Ramiona spiralne w spirali z poprzeczką wydają się mieć początek na końcach poprzeczki, a nie w wybrzuszeniu, jak to ma miejsce w normalnej spirali. Uważamy, że Droga Mleczna jest spiralną spiralną z poprzeczką, być może typu SBb lub SBc. Schematyczny obraz Drogi Mlecznej, który studiowaliśmy na poprzedniej lekcji, pokazuje poprzeczkę Drogi Mlecznej. Poza obecnością poprzeczki, właściwości galaktyk spiralnych z poprzeczką są bardzo podobne do właściwości zwykłych galaktyk spiralnych.

Galaktyki eliptyczne

Galaktyki eliptyczne (typ E w schemacie Hubble’a) to galaktyki pozbawione cech charakterystycznych, które wydają się być po prostu kulą gwiazd. Nie mają też oczywistych pasów pyłowych i obłoków gazu, jakie widzimy w galaktykach spiralnych. Nie ma wycieczki po galaktyce eliptycznej za pomocą obrazu Hubble’a, ponieważ nie ma tam żadnych cech, które można by zwiedzić! Brak gazu i pyłu sprawia, że w typowych galaktykach eliptycznych nie występują młode gwiazdy ani regiony gwiazdotwórcze. Ogólne kolory i widma galaktyk eliptycznych są bardzo podobne do gwiazd K, ponieważ są zdominowane przez te starsze, czerwone gwiazdy.

Podklasy klasy galaktyk eliptycznych mają przypisane numery na podstawie tego, jak okrągłe się wydają. Najbardziej okrągłe galaktyki eliptyczne są określane jako galaktyki E0, a galaktyki o najbardziej eliptycznym kształcie, jakie zaobserwowaliśmy, są oznaczane jako galaktyki E7. Oznaczenie numeryczne zależy od stosunku osi głównej (a) do osi małej (b) obiektu. Eliptyczność definiuje się jako e = 1 – (b/a), więc okrąg będzie miał eliptyczność równą 0, a bardzo eliptyczna galaktyka z osią mniejszą równą 30% długości osi głównej będzie miała eliptyczność e = 1 – (3 / 10) = 0,7. Galaktyka E0 ma eliptyczność 0, a galaktyka E7 ma eliptyczność 0,7, więc aby określić klasyfikację Hubble’a, należy pomnożyć eliptyczność przez 10. Należy pamiętać, że podobnie jak w przypadku galaktyk spiralnych, nasz obraz tego obiektu jest dwuwymiarową projekcją obiektu trójwymiarowego, a więc klasyfikacja mówi tylko o tym, jak obiekt ten wygląda z naszego punktu widzenia. Jeśli weźmiemy pod uwagę piłkę nożną jako przyzwoitą analogię dla galaktyki eliptycznej (patrz rysunek poniżej), to jeśli spojrzymy na nią z boku, tak jak na zdjęciu, możemy dostrzec jej eliptyczną naturę. Jeśli jednak spojrzymy na nią z punktu widzenia czubka piłki, będzie się ona wydawać okrągła. Tak więc galaktyka eliptyczna, która nam jawi się jako E0, może się jawić jako E7 obserwatorowi żyjącemu w odległej galaktyce o innym punkcie widzenia niż nasz.

Rysunek 9.5: Futbol amerykański

Źródło: Wikimedia

Istnieją pewne galaktyki, które wydają się być pośrednie między eliptycznymi a spiralnymi. Są to galaktyki dyskowe z wybrzuszeniami, ale mają bardzo mało lub wcale gazu i pyłu, jak inne spirale. Ich dyski nie wykazują również śladów ramion spiralnych. Galaktyki te są zwykle nazywane galaktykami soczewkowatymi lub galaktykami S0.

Nieregularne

Na koniec mamy kategorię „różne”. Wszystko, co jest tak niezwykłe, że nie mieści się w żadnej z normalnych kategorii, nazywamy galaktyką nieregularną. W tej grupie również istnieją dwie podklasy. Galaktyki nieregularne I (jak Obłoki Magellana) wydają się mieć pewną strukturę spiralną, ale wydaje się, że została ona zaburzona. Galaktyki nieregularne II są znacznie bardziej zaburzone niż galaktyki Irr I i wyglądają jakby padły ofiarą jakiegoś gwałtownego wydarzenia, które całkowicie zaburzyło ich pierwotny kształt. Wiele galaktyk nieregularnych zawiera wiele młodych gwiazd i doświadcza znaczącego formowania się gwiazd.

W podsumowaniu…

W tym miejscu należy zauważyć, że klasyfikacja galaktyk nie jest bardzo precyzyjnym przedsięwzięciem. W rzeczywistości, jeśli przeprowadzisz jakiekolwiek dalsze badania na temat niektórych z powyższych galaktyk, znajdziesz różne klasyfikacje podane dla tego samego obiektu. Na przykład, M81 może być oznaczona jako Sa lub Sb. W zależności od rodzaju przeprowadzonych obserwacji (np. obserwacje optyczne vs. obserwacje w podczerwieni), spirala z poprzeczką może mieć wyraźną poprzeczkę na jednym zdjęciu, a na innym może być prawie niezauważalna. Tak więc ta sama galaktyka może być sklasyfikowana jako Sb lub SBb w zależności od tego, jak była obserwowana.

Jest wiele innych własności galaktyk, które możemy omówić w szczegółach, ale aby zakończyć naszą dyskusję na temat normalnych galaktyk, powinniśmy krótko omówić rozmiary typowych galaktyk. Wśród galaktyk spiralnych i spiralnych z poprzeczką istnieje pewna jednorodność. Niektóre galaktyki spiralne, jak M33, są wyraźnie mniejsze od innych, jak M31, która jest około cztery razy większa. Jednak ogólnie rzecz biorąc, różnice są niewielkie. W klasie galaktyk eliptycznych istnieje jednak znacznie większy zakres rozmiarów. Niektóre galaktyki nazywane są karłowatymi galaktykami eliptycznymi, ponieważ posiadają wiele właściwości galaktyk eliptycznych, ale są znacznie mniejsze i mniej masywne. NGC 205 jest tego przykładem. Jeśli dokonamy spisu galaktyk we Wszechświecie, okaże się, że pod względem liczby, karłowate galaktyki eliptyczne są najczęstszym typem galaktyk we Wszechświecie.