Οι ιστορίες που λένε οι γαλαξίες

Έρχεται η μεγαλύτερη συγχώνευση που έχει χτυπήσει ποτέ αυτά τα μέρη—μια ένωση που υπόσχεται να είναι πιο ταραχώδης από αυτή του Richard Burton και της Elizabeth Taylor, θα προσφέρει περισσότερη δύναμη αστέρων από την Brangelina και θα προσφέρει περισσότερη κινητήρια δύναμη από τον νέο όμιλο American Airlines–US Airways. Μιλάμε για τη συνένωση του γαλαξία του Γαλαξία και του πλησιέστερου μεγάλου γείτονά του, της Ανδρομέδας, σε μια σύγκρουση που οι επιστήμονες θεωρούν πλέον αναπόφευκτη. Αυτή η ουράνια συγχώνευση θα ξεκινήσει σε περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια και θα ολοκληρωθεί σε άλλα 2 δισεκατομμύρια, δημιουργώντας έναν νέο, μεγαλύτερο ελλειπτικό γαλαξία στη θέση των δύο σπειρών που ενώθηκαν αρχικά.

Οι συγχωνεύσεις είναι τυπικές τελετές διέλευσης για τους γαλαξίες. «Όλοι οι μεγαλύτεροι και καλύτερα μελετημένοι γαλαξίες γύρω μας σήμερα είναι είτε αλληλεπιδρούντες γαλαξίες είτε συγκρούσεις που περιμένουν να συμβούν», λέει ο Roeland van der Marel του Επιστημονικού Ινστιτούτου Διαστημικού Τηλεσκοπίου. «Και αυτό συμβαίνει παντού». Στην πραγματικότητα, ο Γαλαξίας βρίσκεται ήδη στη μέση μιας συγχώνευσης μικρότερης κλίμακας:Οπουδήποτε από 100 εκατομμύρια έως ένα δισεκατομμύριο αστέρια από τον νάνο γαλαξία Τοξότη πέφτουν στον γαλαξία μας αυτή τη στιγμή.

Αλλά μόλις πριν από 40 χρόνια, η ίδια η ιδέα ότι οι γαλαξίες θα μπορούσαν να συγχωνευθούν περιφρονήθηκε και τα σχήματα των γαλαξιών μετά τη συγχώνευση απορρίφθηκαν ως παράξενα περιέργεια - μέλη κάποιου παράξενου θηριοτροφείου μικρής σημασίας. Οι περισσότεροι αστρονόμοι θεωρούσαν τους γαλαξίες ως «νησιωτικά σύμπαντα» που σχηματίστηκαν μεμονωμένα και παρέμειναν έτσι. Η ιστορία του πώς άλλαξε αυτή η υπόθεση ξεκινά με μερικούς παράξενους γαλαξίες και δύο αδέρφια που ακολούθησαν την περιέργειά τους.

Ένα από αυτά τα αδέρφια, ο Alar Toomre, είναι τώρα ομότιμος καθηγητής εφαρμοσμένων μαθηματικών στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT). Στα 6'3" και 235 λίβρες με έναν προεξέχοντα θόλο στην κορυφή, ο 77χρονος Toomre είναι, κατά τη δική του παραδοχή, "δυσοίωνα μεγάλος". Αυτή η εντύπωση αμβλύνεται, ωστόσο, από έναν ευγενικό τρόπο και μια αδιάκοπη παράδοση χιουμοριστικών αστείων που —σε ένα εναλλακτικό σύμπαν— θα μπορούσαν να του έφεραν δουλειά σε ένα κωμικό κλαμπ. Γεννημένος στην Εσθονία, ο Toomre απέκτησε το διδακτορικό του. στη ρευστοδυναμική και υπέθεσε ότι θα δούλευε για την Boeing ή τη NACA (τον προκάτοχο της NASA). Αντίθετα, κατέληξε να διδάσκει στο προπτυχιακό του alma mater, MIT, όπου η έρευνά του πήρε μια απροσδόκητη τροπή.

Ο Toomre ενθουσιάστηκε από τους γαλαξίες στα μέσα της δεκαετίας του '60 αφού παρατήρησε ότι ο γαλαξίας μας είναι παράξενα στρεβλωμένος. Εκείνη την εποχή, αναρωτήθηκε μήπως το Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου (LMC) - ένας κοντινός γαλαξίας στο μέγεθος του εκατοστού του Γαλαξία - «μπορούσε να είχε περάσει και να μας έκανε κάποια ζημιά». Αλλά οι υπολογισμοί του έδειξαν ότι ένα τόσο κοντινό πέρασμα θα είχε τεντώσει τους εξωτερικούς βραχίονες του Γαλαξία μέχρι να μοιάζουν με νήματα από τάφι. Γρήγορα κατάλαβε ότι έκανε λάθος, γιατί ο γαλαξίας μας δεν μοιάζει με κάτι τέτοιο, αλλά η εικασία τον οδήγησε σε κάτι άλλο.

Λίγους μήνες μετά την ολοκλήρωση αυτής της ανάλυσης, πήγε στην Πασαντίνα, περνώντας το ακαδημαϊκό έτος 1969-1970 στο σάββατο στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech). Αν και θα μπορούσε να είχε χρησιμοποιήσει αυτή την ευκαιρία για να ασχοληθεί με διαπρεπείς αστρονόμους όπως ο Maarten Schmidt, ο ανακάλυψε τα κβάζαρ, ο Toomre έλκεται από τον πιο εκκεντρικό Halton Arp και τον «εμπνευσμένο» Atlas of Peculiar Galaxies , που περιέχει φωτογραφίες περισσότερων από 300 ασυνήθιστα διαμορφωμένων συνόλων αστεριών.

Για τον Toomre, προβολή του Atlas ήταν ασυνήθιστο, γιατί εντόπισε πολλούς γαλαξίες—συμπεριλαμβανομένων των Arp 82 και Arp 87—με μακριά, εκτεταμένους σπειροειδείς βραχίονες, που θυμίζουν παράξενα τη φιγούρα που είχε δημιουργήσει η προσομοιωμένη συνάντηση του γαλαξία μας με το LMC. Άλλα παραδείγματα ήταν ακόμα πιο θεαματικά. Οι γαλαξίες «Ποντίκια» (Arp 242) αποτελούνταν από δύο μπερδεμένους γαλαξίες που ο καθένας έμοιαζε με τρωκτικό με επιμήκη ουρά. Οι «Κεραίες» (Arp 244) ήταν ένα άλλο ζεύγος διαπλεκόμενων γαλαξιών, αλλά έμοιαζαν με έντομο με δύο μάτια και, το πιο εντυπωσιακό, δύο μεγάλες κεραίες. Οι γαλαξίες του Arp αποκάλυψαν άλλες παράξενες δομές στολισμένες με φωτεινά νήματα και λοφία, καθώς και «γέφυρες» αστεριών που συνδέουν δύο γαλαξίες.

Ο Arp είχε συλλέξει τις εικόνες των γαλαξιών για να ενισχύσει τις ανορθόδοξες ιδέες που είχε σχετικά με το σχηματισμό γαλαξιών. Ο Toomre, ωστόσο, ελκύθηκε από αυτούς τους περίεργους γαλαξίες με τον ίδιο τρόπο που οι ιατροί ερευνητές αναζητούν ασθένειες που δεν είναι συνηθισμένες για να βελτιώσουν την κατανόησή τους για το ανθρώπινο σώμα. Όπως είπε σε μια συνέντευξη το 1987, η αντιμετώπιση μιας σπάνιας πάθησης ήταν πολύ πιο διδακτική για τους γιατρούς από τους συνηθισμένους πόνους.

Ο Άτλας  ενίσχυσε την πεποίθησή του ότι οι γαλαξίες δεν ήταν απομονωμένα νησιά, αλλά κοινωνικά πλάσματα που θα μπορούσαν να επηρεαστούν έντονα από τις (βαρυτικές) συναντήσεις τους μεταξύ τους—σε ορισμένες περιπτώσεις αναμειγνύονται ως ένα. Υποψιαζόταν επίσης ότι οι αλληλεπιδράσεις αυτού του είδους μπορεί να είναι ο κανόνας και όχι η εξαίρεση. Αλλά θα χρειαζόταν κάτι περισσότερο από ένα προαίσθημα για να πείσει έναν ως επί το πλείστον σκεπτικιστικό επιστημονικό κόσμο.

Επιστρέφοντας στο MIT, ο Toomre συνεργάστηκε με τον αδερφό του, Juri — έναν αστροφυσικό που είχε τότε έδρα στο Ινστιτούτο Goddard της NASA για Διαστημικές Σπουδές—για προσομοίωση γαλαξιακών συγκρούσεων σε υπολογιστή. Ευτυχώς, ο Juri είχε πρόσβαση στον IBM «Stretch» ​​του Goddard, έναν κεντρικό υπολογιστή μεγέθους δωματίου που αποτελούσε τον υπερυπολογιστή της εποχής του. Ωστόσο, η τελευταία λέξη της τεχνολογίας εκείνη την εποχή διατήρησε τις προσομοιώσεις τους σε μέτριο μέγεθος, που περιελάμβανε μόλις 200 δοκιμαστικά σωματίδια. Τα αδέρφια έπρεπε επίσης να κάνουν την απλουστευτική υπόθεση ότι όλη η μάζα ενός γαλαξία βρισκόταν στο κέντρο του. Μετά από αυτό, ήταν απλώς θέμα εφαρμογής των αρχών που είχε επινοήσει ο Ισαάκ Νεύτων 300 χρόνια πριν. Γνωρίζοντας τη δύναμη σε ένα σωματίδιο και την επιτάχυνσή του, εξήγησε, μπορείτε να προσδιορίσετε την τροχιά του. Οι υπολογισμοί τους δεν συνεπάγονταν εξωτική φυσική – μόνο στοιχειώδη βαρύτητα. Όταν οι γαλαξίες συγκρούονται, δεν είναι σαν ένα SUV που μπαίνει σε ένα μίνι βαν. Τα αστέρια μέσα στους γαλαξίες έχουν τόσο μεγάλη απόσταση που δεν χτυπούν το ένα το άλλο—τραβούν ο ένας πάνω στον άλλο. «Η κίνηση οποιουδήποτε μεμονωμένου σωματιδίου δεν είναι τόσο αξιοσημείωτη», παρατηρεί ο Toomre. "Αυτό που είναι εκπληκτικό είναι το μοτίβο που μπορεί να κάνει μια δέσμη σωματιδίων."

Μεταξύ των εκπληκτικών μοτίβων που αποδείχθηκαν οι προσομοιώσεις τους ήταν πολλά από αυτά που φαίνονται στον περίφημο Άτλαντα του Arp , συμπεριλαμβανομένων των γαλαξιών Antennae και Mice. Για τους Toomres, οι συνέπειες ήταν σαφείς:οι γαλαξίες συγκρούονταν συνεχώς και παραμορφώνονταν ο ένας στον άλλο. Οι προσομοιώσεις δεν εξήγησαν μόνο τον Atlas Η ετερόκλητη συλλογή σχημάτων του, αλλά και οι ιστορίες γαλαξιών με κανονικό σχήμα. Συγκεκριμένα, τα αδέρφια προέβλεψαν ότι οι ελλειπτικοί γαλαξίες που μοιάζουν με σταγόνες - οι οποίοι αποτελούν περίπου το 10 τοις εκατό όλων των γαλαξιών και των οποίων τα σώματα μοιάζουν κατά προσέγγιση με σφαίρα - μπορούν να παραχθούν μέσω της συγχώνευσης δύο επίπεδων σπειροειδών γαλαξιών.

Σήμερα, γνωρίζουμε ότι ένας τέτοιος γαλαξίας θα προκύψει τελικά από τη συγχώνευση του Γαλαξία με την Ανδρομέδα. Εκείνη την εποχή, όμως, οι αδερφοί Toomre αντιμετώπισαν μια δύσκολη μάχη πείθοντας την ευρύτερη κοινότητα για τις ιδέες τους. Για να στερεωθεί το επιχείρημα, θα χρειαζόταν προσεκτικές παρατηρήσεις ενός ακόμη ασυνήθιστου γαλαξία — του NGC 7252, ή του λεγόμενου γαλαξία «Atoms for Peace».

Ο Φρανσουά Σβάιτσερ ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής του Μπέρκλεϋ το 1972 όταν δημοσιεύτηκε το έργο του Τομρες και του έκανε άμεση εντύπωση. Στο Αστεροσκοπείο Palomar της Καλιφόρνια και αργότερα στο Διαμερικανικό Παρατηρητήριο Cerro Tololo στις Χιλιανές Άνδεις, διερεύνησε την πρόταση ότι οι ελλειπτικοί γαλαξίες είναι το φυσικό αποτέλεσμα της συγχώνευσης δύο σπειροειδών γαλαξιών. Αφού εστίασε στο NGC 7252 για χρόνια, βρήκε σημάδια ότι ο γαλαξίας είχε μόνο έναν πυρήνα αλλά δύο ξεχωριστές ουρές, προδίδοντας έτσι σημάδια ενός ξεχωριστού παρελθόντος που δεν είχε ακόμη διαγραφεί εντελώς. Είναι ενδιαφέρον ότι αυτές οι δύο ουρές κινούνταν ανεξάρτητα, σε αντίθετες κατευθύνσεις. «Δύο αντίθετες κινήσεις σε ένα ενιαίο σύστημα δεν είχαν δει ποτέ πριν». Ωστόσο, ήταν ακριβώς αυτό που είχε προβλέψει ο Toomre για ένα υπόλοιπο συγχώνευσης. Η εργασία του Schweizer για αυτό το θέμα, η οποία δημοσιεύτηκε το 1982, κέρδισε ευρεία αποδοχή. "Ενθουσίασε πολλούς ανθρώπους, οδηγώντας στην ερευνητική δραστηριότητα που συνεχίζεται μέχρι σήμερα."

Σήμερα, ο κατάλογος των γαλαξιών που θα μπορούσαν να είναι υπολείμματα συγχώνευσης έχει επεκταθεί μεταξύ 50 και 100 και υπάρχουν ενδείξεις ότι χιλιάδες άλλοι βρίσκονται στο δρόμο προς τη συγχώνευση. Όσο για εμάς; «Η Ανδρομέδα έρχεται προς το μέρος μας», σημειώνει ο Toomre, και δεν υπάρχει μεγάλο μυστήριο για το τι θα συμβεί:Ο Γαλαξίας θα συγχωνευτεί με τον γείτονά του και θα γίνει ελλειπτικός. Είναι απλώς ένα άλλο παράδειγμα του είδους του προβλήματος -με ένα προβλέψιμο, πειραματικά τεκμηριωμένο αποτέλεσμα- που ο ίδιος και ο αδελφός του επεξεργάστηκαν μέσω απλών υπολογισμών πριν από δεκαετίες.

Ο Steve Nadis, ένας συγγραφέας με έδρα το Cambridge της Μασαχουσέτης, είναι συντάκτης που συμβάλλει στο Αστρονομία και Ανακαλύψτε περιοδικά. Είναι συν-συγγραφέας του A History in Sum:150 Years of Mathematics at Harvard.