¿Por qué chocan las galaxias?

Si el universo se está expandiendo hacia afuera, ¿cuáles son los procesos para que una galaxia se desvíe lo suficiente como para chocar con otra?

Digamos, la galaxia de Andrómeda y la Vía Láctea.

El universo se está expandiendo a gran escala. Pero localmente las cosas siempre son desordenadas.

Localmente, las galaxias no están grabadas en piedra, se mueven entre sí y las direcciones son aleatorias. Si se mueven el uno hacia el otro lo suficientemente rápido, entonces colisionarán.

Además, hay gravedad. Algunas galaxias están unidas entre sí por la gravedad, y eso tenderá a unirlas.

En cuanto a por qué las galaxias se mueven, en relación entre sí, bueno, las cosas en este universo tienen energía cinética, y se distribuye al azar. Al distribuirse al azar, son posibles todo tipo de escenarios: cosas que se alejan unas de otras, se alejan, se topan, etc.

Es un universo desordenado y aleatorio, y el orden de expansión se hace evidente solo en la escala más grande.

Las galaxias realmente no se desvían, no es imposible, pero ese tipo de cosas probablemente ya no sucedan (a medida que el espacio continúa expandiéndose). Lo que realmente sucede es que las galaxias forman cúmulos gravitacionalmente unidos: dentro del cúmulo, la aceleración debida a la gravedad es mayor que la expansión equivalente del espacio entre las galaxias, por lo que, en lugar de crecer más distantes, las galaxias en cuestión se acercan más con el tiempo. Eventualmente, esto resulta en una colisión y una fusión.

Si la expansión permanece más o menos constante, llegará un punto en el que ya no podremos ver galaxias fuera de nuestro propio cúmulo. Pero para aquellos lo suficientemente cercanos, esto tiene poco efecto, al igual que la expansión del espacio no hace que los átomos, los planetas, los sistemas solares o las galaxias se agranden.

No estoy seguro de que alguien haya respondido la pregunta formulada. La causa raíz es que las estructuras unidas gravitacionalmente con escalas de tiempo de caída libre que son mucho más cortas que la edad del universo no se ven muy afectadas por la expansión general del universo (NB: las estructuras con escalas de tiempo de caída libre más largas que esta no serán la fuente de muchas colisiones de galaxias). Es decir, localmente, la expansión dentro de tales estructuras es insignificante. Sin embargo, eso no necesariamente conduce a colisiones en una escala de tiempo más corta que la edad del universo.

La primera razón para las colisiones de galaxias es que los cúmulos de galaxias tienen una densidad numérica muy grande, es decir, el espacio entre las galaxias no es mucho mayor que el "tamaño" de una galaxia, donde aquí, "tamaño" significa la interacción efectiva de la sección transversal radio. Como resultado de estas altas densidades, las escalas de tiempo dinámicas de caída libre en cúmulos ricos (e incluso grupos más pequeños de galaxias) son del orden de miles de millones de años, por lo que las galaxias tienen mucho tiempo para interactuar. Como contraste, piense en cómo podría construir un modelo a escala de estrellas en el vecindario local y compare el tamaño de las estrellas con sus separaciones. De hecho, sería difícil hacer un modelo a escala con estrellas de tamaño significativo. Por otro lado, puedeshaga un modelo a escala de digamos el grupo local de galaxias porque sus separaciones son solo veces su tamaño.$\sim 10$

La segunda razón es que muchas galaxias contienen gas y ese gas puede disipar fácilmente la energía cinética y también transferir el momento angular. Otro factor es que los cúmulos masivos de galaxias contienen gas intracluster que también puede servir para disipar la energía cinética. En un sistema ligado gravitacionalmente, los objetos que están en órbita uno alrededor del otro o alrededor de un centro de masa común necesitan formas en que la energía cinética y el momento angular se puedan perder para que se produzca una colisión. Incluso sin gas, el hecho de que las galaxias existan en grupos y cúmulos significa que las interacciones entre n cuerpos pueden servir para disipar la energía y el momento angular para que ocurra una colisión.

Las galaxias no se desvían: para ver cómo ocurren las colisiones, necesitamos volver a la formación de galaxias desde el principio.

Entonces, sucede Big Bang. El espacio comienza a expandirse, dramáticamente y en gran medida. Eso es espacio en expansión, no galaxias moviéndose dentro del espacio, por cierto, las distancias cambian. (Por eso se llama expansión "métrica", métrica es un término para medidas de distancia, y también por qué los cosmólogos dicen que el Big Bang ocurrió "en todas partes").

En una pequeña fracción de segundo, la expansión masiva se reduce. El espacio continúa expandiéndose, pero a un ritmo mucho más lento. La última de las fuerzas fundamentales se separa, y el cosmos queda como una mezcla densa increíblemente caliente, tan caliente que incluso las partículas básicas como los protones, los neutrones y los electrones aún no pueden existir, aunque los quarks sí pueden existir.

Pero están sucediendo algunas cosas muy sutiles. Aunque la expansión nos dejó con un universo increíblemente uniforme y homogéneo, la densidad varía ligeramente entre los lugares. A medida que las cosas se enfrían y las partículas comienzan a condensarse (y aniquilarse, y otras cosas), el universo se queda con lo que los cosmólogos llaman ondas acústicas, básicamente ondas estacionarias. Y si alguna vez has visto videos de una bandeja de arena vibrando , sabrás que un efecto es que deja algunos lugares con más arena, algunos con menos, debido a los patrones de interferencia. Entonces nuestro universo termina, a medida que se expande, con algunas áreas más densas, otras menos densas.

Un segundo efecto entra en juego. Sabrás (o habrás oído hablar) de la materia oscura. No sabemos de qué está hecho, pero sabemos que existe (las galaxias no podrían formarse sin él, se separarían o tomarían más tiempo que la edad del universo para formarse), y sabemos mucho acerca de cómo se comporta: a qué fuerzas responde y a qué fuerzas no responde. Interactúa por gravedad, sí, muy débilmente. Interactúa a través de la fuerza electromagnética, no, para nada. Ese último bit es crucial.

Cuando la materia "ordinaria" colapsa, se calienta. Así es como obtenemos estrellas, por ejemplo. La radiación liberada durante el colapso también actúa como un tipo de presión, oponiéndose al colapso, ralentizándolo. Es por eso que las estrellas como nuestro sol son estables durante tanto tiempo. La materia oscura no interactúa electromagnéticamente (hasta donde sabemos), por lo que no puede experimentar ni crear radiación electromagnética. Entonces, cuando se colapsa, no se calienta, no libera radiación ... Creo que puedes ver a dónde va esto. No se libera radiación durante el colapso para resistir un colapso adicional, por lo que puede colapsar mucho más rápido que la materia ordinaria . Como un aparte, porqueno puede liberar radiación, tampoco puede deshacerse de la energía que debe eliminarse para permitir que se formen objetos densos. Por lo tanto, termina colapsando rápidamente a un "halo" difuso y difuso, pero luego no puede colapsar mucho más. Y no es de extrañar, se derrumba en aquellos lugares donde el universo era fraccionalmente más denso. Entonces obtienes lo que los cosmólogos llaman "filamentos" y "halos" de materia oscura, un poco como una esponja o un queso suizo, con "vacíos" comparativos que los separan. La materia ordinaria se siente más atraída por estos filamentos y halos de materia oscura ya existentes. Se derrumba hacia ellos. La gravedad de la materia ordinaria se ve reforzada por la gravedad debido a las concentraciones de materia oscura allí, y la materia ordinaria puede pierde energía por radiación, por lo que se colapsa más que la materia oscura, para formar las galaxias y sus contenidos que podemos ver hoy.

La gravedad puede hacer esto, porque la expansión del universo ahora se ha ralentizado tanto desde su "apogeo", que la gravedad puede juntar parte de la materia dentro del espacio más rápido de lo que la expansión puede agregar espacio entre ellos . Sobre distancias cósmicas, la gravedad es mucho más débil y la expansión domina, por lo que los cúmulos y supercúmulos aún se separan, pero dentro de los cúmulos, las galaxias y grupos de galaxias se aceleran por la gravedad lo suficiente como para que permanezcan en sus grupos y cúmulos, y se mueven alrededor o orbitar dentro de ellos.

Así que terminamos con un universo que, en una escala cósmica, vemos que la expansión "gana" a medida que la gravedad es débil, por lo que vemos supercúmulos que se separan. Pero dentro de los cúmulos y grupos de galaxias, vemos que la gravedad "gana" porque es más fuerte en distancias más pequeñas, por lo que los cúmulos y las entidades unidas gravitacionalmente como las galaxias permanecen juntas.

Lo que esto a su vez significa es que las galaxias y los grupos de galaxias están unidos por la gravedad más de lo que están separados por la expansión. Por lo tanto, siguen moviéndose dentro de sus grupos y grupos, a pesar de la expansión universal. Y, ocasionalmente, debido a que el movimiento de 3 o más cuerpos separados bajo la gravedad es caótico (y los cúmulos pueden contener miles de millones o billones de galaxias), galaxias enteras serán expulsadas, o colisionarán, o harán lo que hagan las galaxias. Y así es como sucede.

(Aunque no lo hizo, es una pregunta natural preguntarse qué sucede después. Creemos que la tasa de expansión se ha acelerado lentamente. Eso significa que en el futuro lejano (decenas y cientos de miles de millones de años), las galaxias lo harán tiene que estar aún más cerca, para que la gravedad domine la expansión. Por lo tanto, los cúmulos que son estables ahora, podrían romperse en el futuro lejano. Si la expansión se acelera lo suficiente, incluso los cuerpos más pequeños podrían finalmente romperse, tal vez las galaxias mismas, o incluso estrellas y átomos Pero eso es algo que nadie sabe).

$70 km.s^{-1}Mpc^{-1}$$70 km.s^{-1}$$110 km.s^{-1}$$70 km.s^{-1}$

Aunque el Universo se está expandiendo y, en general, cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, más rápido parece alejarse de nosotros. Esto no se aplica a las galaxias en el Grupo Local. que es una estructura gravitacionalmente unida. La galaxia de Andrómeda se está moviendo hacia la Vía Láctea a unos 400,000 km / hy se espera que la Vía Láctea y Andrómeda colisionen en aproximadamente 4 mil millones de años. Cuando esto sucede, se formará una nueva galaxia única grande. La nueva galaxia que se formará con la fusión a veces recibe el nombre de Milkomeda. Para obtener más detalles, consulte mi reciente publicación de blog sobre este tema.

Durante miles de millones de años, Milkomeda absorberá gradualmente a los demás miembros del Grupo Local.

En general, cualquier estructura unida gravitacionalmente como: sistemas estelares (por ejemplo, sistema solar) nuestra galaxia y grupos y grupos de galaxias no se agrandarán a medida que el Universo se expanda)