Nesnáším dělat suflé. Nebo, abych byl přesnější, nesnáším pokusy o výrobu suflé. Znáte to nadýchané francouzské jídlo se sýrem a vejci? S Julií Child a Altonem Brownem to vypadá tak jednoduše, ale uvařit to jen tak, abyste získali tu stratosférickou věž lahodnosti, je opravdový ďábel. Pokud ho pečete příliš rychle nebo při příliš vysoké teplotě, skončíte s hustou hroudou výčitek bez chuti.
Jak tedy uvařit spirální galaxii? Jak vaříte jakoukoli galaxii? Je to docela jednoduché, opravdu: Vezměte si mlhavý oblak plynu a temné hmoty v raném vesmíru a … počkejte. Pokud bude dostatek času, jakýkoli malý shluk nebo semínko v tomto mraku přitáhne své sousedy, čímž jeho gravitační síla ještě zesílí, přitáhne více sousedů, stále sílí a dále a dále po stovky milionů let, jak vysvětluji v tomto videu na jak upéct galaxii.
A je to! Recept na galaxii je docela jednoduchý. Stačí, když gravitace dělá to, co gravitace ráda dělá, a trochu času. Ale abyste vytvořili spirální galaxii, musíte věci správně namíchat. Problém je v tom, že v jakékoli galaxii se vznáší jen tolik potenciálních hvězdných látek (aka, kapek plynu). Pokud se do galaxie nacpe příliš mnoho věcí najednou, veškerý dostupný plyn se rozdrtí na hvězdy v jednom velkém výbuchu. Rychle vpřed o 13 miliard let a zůstane vám hrudkovitá, převážně eliptická galaxie plná rudých hvězd.
A pokud jde o galaxie, červená znamená mrtvé. Nebo alespoň, opravdu, opravdu staré. Eliptické galaxie udělaly svou hvězdnou párty jen jednou, když byly mladé, a propálily své dědictví v jednom fantastickém rozstřiku. Tyto marnotratné galaxie se nikdy nevrátily. Stále kolem nich visí hvězdy, ale jsou to malá slunce – a tedy dlouhověká – a většinou červená. Eliptické galaxie nyní nejsou nic jiného než obří, ospalé komunity důchodců.
Části spirálních galaxií jsou také červené: centrální vyboulenina a „halo“neboli skrápění hvězd, které žijí nad a pod a nad hlavním plochým diskem galaxie. Ale spirály samy o sobě mají jasnou, planoucí modř, což astronomům napovídá, že hvězdy jsou mladé a parta žije dál. I když se spirální galaxie mohla zformovat již dávno a spustila intenzivní výbuch formování hvězd, cokoli se děje uvnitř spirál, je pokračující proces, něco, co nespálí příliš mnoho nebo příliš málo zásob plynu v galaxii.
Takže to znamená, že spirály se objeví někdy poté, co se galaxie sama sestaví, a že cokoli, co spirály tvoří, je tvoří po celé věky. Pokud by spirály byly pouze dočasnou záležitostí, která se vyskytuje jednou za galaktický život, astronomové by dnes sotva viděli, že by nějaké takové galaxie zůstaly. Místo toho mají mezi polovinou a dvěma třetinami všech galaxií spirální ramena. Musí to být vesmír Julie Childové, protože to je spousta dokonale uvařených suflé.
Pokud se jen podíváte na spirální galaxii, zdá se, jako by ramena byly masivní větrníky. Foukněte na galaxii (dostatečně tvrdě) a galaxie se může točit rychleji. Ale galaxie nejsou frisbee; nejsou to pevné předměty, které jsou všechny navzájem spojené plastem a lepidlem. To znamená, že vnitřní části galaxie se točí rychleji než vnější části. Pokud by spirální ramena byla ve skutečnosti věcmi připojenými ke středu galaxie a otáčejícími se tak rychle jako všechny hvězdy, už dávno by byla ramena pevně svinutá jako těstoviny na vidličku.
Takže pokud spirálová ramena nejsou věci, tak co to sakra je? Při pohledu na spirální galaxii se zdá, jako by všechny hvězdy byly svázány v centrální výduti a v ramenech, přičemž všude jinde jsou obrovské plochy pustiny. Hlubší pozorování však odhalí to, co lidské oko nedokáže: Disky spirálních galaxií jsou plné hvězd. Pozitivně zamořeno! Samotné paže nejsou o tolik hustší než zdánlivě prázdné mezery.
Skutečnost, že spirální ramena jsou jen o něco málo hustší - ale ne šíleně - než zbytek disku, je vodítkem. Nejlepší obrázek, který astronomové zatím mají, je ten, že spirální ramena jsou ve skutečnosti – pochopte to – vlny hustoty. Vlnky v galaktickém jezírku.
"Počkej, počkej, počkej," můžete říct, "Jsem světový člověk. Viděl jsem rybníky, kamaráde. Mají vlnky, ale tyhle vlnky určitě nejsou spirálky."
No, vezměte vlnky v jezírku a na chvíli je zmrazte. Obvykle vypadají jako shluk soustředných kruhů, přičemž menší jsou uvnitř větších. Představte si, že je roztáhnete, takže vlnky jsou spíše elipsy než kruhy. OK zatím? Dobrý. Nyní nechte elipsy točit, přičemž malé elipsy ve středu se otáčejí rychleji než ty velké na okraji. Než se zeptáte proč – stavíme model galaxie a galaxie nejsou přesně kruhové.
Přemýšlejte o tom dostatečně dlouho a mžourejte očima a uvidíte, že jsou místa, kde dlouhá strana jedné elipsy přechází do krátké strany druhé. Všechno toto shlukování tvoří vzor. Tvoří spirálu, počkej na to!
Takže to je předpokládaný původ spirály v galaxii. Ne vlnky v jezírku – s touto analogií jsme skončili – ale hustotní vlny, místa, kde jsou hvězdy a plyn přirozeně hustší než jejich okolí. Vlny pocházejí z různých zdrojů, buď z drobných poruch ("drobné" zde znamená něco jako supernova) zesílených do galaktických rozměrů, nebo zbytků chvění z interakcí s menšími galaxiemi.
Nahromaděné, rotující vlny hustoty matrjošek vysvětlují, proč jsou na prvním místě spirálovité útvary, ale tento model nevysvětluje, proč jsou paže tak nápadné. Jistě, ramena mohou být o něco hustší než to, co je obklopuje, ale zdaleka ne tolik, jak byste při pohledu na galaxii hádali.
To nás přivádí k části 2: Extra hvězdy tvoří spirálová ramena a na oplátku spirálová ramena vytvářejí další hvězdy.
Spirálová ramena jsou řidiči, kteří jedou poloviční rychlostní limit na dálnicích v galaxii. Rychle jedoucí auta dohánějí pomalé šťouchnutí, dostihnou všechna ostatní auta, která se snaží prorazit kolem, hodně troubí, a jakmile projedou, zatroubí. Mezitím se rušení s vysokou hustotou plahočí po silnici, zapomíná a otravuje. (Podívejte se na "Spiral Arms, the Galactic Traffic Jams.")
Spirální ramena se koneckonců skutečně otáčejí, ale jinou rychlostí než hvězdy a plyn. Oblak plynu zachytí spirální rameno, stlačí se kvůli mírně vyšší hustotě a vyskočí jako hvězda na druhém konci. Na galaktických periferiích se hvězdy a plyn někdy pohybují ještě pomaleji než vlna hustoty, ale proces stále probíhá, když je spirála dožene. To je to, co pohání pokračující tvorbu hvězd ve spirálních galaxiích: Samotná ramena jsou továrny na výrobu hvězd.
Uvnitř paží se vyrábí nejrůznější hvězdy: velké, střední, malé. Střední a drobné hvězdy žijí pěkné, dlouhé a stabilní životy a po svém násilném mládí ve spirálním rameni se stěhují do pohodlného důchodu v mezerách. Velké hvězdy, žhnoucí jasně modrou barvou, nikdy neopouštějí, končí své krátké životy, než se vůbec dostanou z náruče svého zrození.
Nyní konečně všechny dílky skládačky zapadly na místo. Spirálová ramena jsou iluzí. No, skoro iluze. Jsou rozhodně hustší než zbytek galaxie, ale ne o moc. Hvězdy, které žijí v pažích, jsou však netypicky modré a jasné, zatímco hvězdy s delší životností v mezerách jsou červenější a tmavší, což dává neznalým očím lidí, pozorujícím viditelné vlnové délky, dojem obřích větrníků na obloze.
Totéž platí pro jiné vlnové délky: Ultrafialové záření zachycuje aktivní mladé hvězdy a infračervené zvýrazňuje hvězdotvorná prachová mračna, která všechna žijí primárně v pažích.
Pouze pořízením snímků s dlouhou expozicí můžeme vidět, že mezery mezi spirálami nejsou prázdným prostorem. Jistě, vidíte spirály, ale měli byste si také všimnout všude jinde: Podívejte se na všechny věci!
Více se dozvíte poslechem epizody "How Do Spiral Galaxies Form?" v podcastu Ask a Spaceman, který je k dispozici na iTunes a na webu na adrese http://www.askaspaceman.com. Děkuji Jayeeta Sarkar za otázku, která vedla k této epizodě! Zeptejte se sami na Twitter pomocí #AskASpaceman nebo sledováním Paula @PaulMattSutter a na facebook.com/PaulMattSutter.
