Как разделились Млечный Путь и Галактика Андромеды, прежде чем они начали столкновение?

Я подумал, что это забавный вопрос, я немного подумал. Версия непрофессионала, так что исправления приветствуются.

Самая ранняя вселенная, первые несколько секунд или около того он был довольно плотным. Это довольно широко освещается, и подробности и особенности не имеют большого значения для этого вопроса, но энергия и прочее в ранней Вселенной, которая позже сформировала Млечный Путь, и энергия и вещество, сформировавшее Андромеду, были космическими соседями и в первой секунд Вселенной, довольно близко друг к другу. Основное правило Хаббла состоит в том, что близкие (в космологических терминах) вещи всегда были близкими, как точки на надуваемом воздушном шаре. Все отдаляется от всего остального, но то, что было рядом друг с другом, всегда было рядом друг с другом. В меньших масштабах, таких как звезды в галактиках или планеты, это неверно из-за гравитации и различных орбитальных путей, но верно для галактик. (может быть небольшая вариация с "

Еще один важный момент, касающийся ранней Вселенной, заключается в том, что она была гораздо более однородной, поэтому из-за однородности гравитация притягивала почти одинаково во всех направлениях. Близлежащие несколько более массивные облака материи и энергии не преобладали в гравитационном отношении, потому что во всех направлениях была одинаковая масса. Вы можете подумать, что более плотная Вселенная означает более сильную гравитацию в направлении близлежащей материи, но этого не происходит, если материя достаточно равномерно распределена во всех направлениях.

Так что, вообще говоря, в очень молодой Вселенной материя, которая стала Млечным Путем, и материя, которая стала Андромедой, начинались намного ближе, но они не очень рано тянули друг друга из-за единообразия.

Со временем локальная гравитация преодолела однообразие. Я не могу сказать вам, когда это произошло (может быть, кто-то из присутствующих может), но прошло некоторое время, прежде чем начали формироваться задатки галактических групп и скоплений. Из карты фонового излучения мы знаем, что Вселенная была достаточно однородной даже через 380 000 лет после Большого взрыва. Смотрите картинку:

(Редактировать в связи с исправлением). Считается, что известная Вселенная возрастом 380 000 лет составляет примерно 1/1100 своего текущего радиуса. Из космического фонового излучения мы знаем, что в то время Вселенная была все еще в значительной степени однородной, хотя неоднородность действительно приводила к формированию галактик, скоплений и сверхскоплений, поэтому это было важно, но все же требовалось некоторое время для локального группы и галактические скопления, чтобы сформироваться.

Смотрите здесь .

На этой карте горячие области, показанные красным, на 0,0002 Кельвина горячее, чем холодные области, показанные синим цветом.

и

Считается, что эти космические микроволновые флуктуации температуры отслеживают флуктуации плотности материи в ранней Вселенной, поскольку они были отпечатаны вскоре после Большого взрыва. В этом случае они многое говорят о ранней Вселенной, происхождении галактик и крупномасштабных структурах Вселенной.

Но как только локальная гравитация превзойдет однородность, галактики смогут более эффективно притягивать друг друга. Паттерн галактик в виде паутины показывает, что это имеет тенденцию происходить, поскольку галактики притягивают к себе другие галактики, даже когда пространство расширяется, поэтому вы получаете линии более плотных областей с большим количеством галактик и карманов пустого пространства, в основном свободных от галактик. .

Источник изображения для дальнейшего чтения .

Итак, что в основном произошло с Андромедой и Млечным Путем, так это то, что сочетание расширения с однородностью установило их довольно далеко друг от друга, даже когда они все еще формировались, но они все еще были соседями по соседству с галактиками.

И Млечный Путь, и Андромеда поглощали меньшие, более близкие карликовые галактики, возможно, много раз, поэтому они были не двумя ближайшими, но они были двумя ближайшими некарликовыми галактиками (по крайней мере, из тех, о которых мы знаем).

Вы можете подумать, что галактики могут вращаться вокруг других галактик, но природа хаббловского расширения не дает галактикам большой тангенциальной скорости по отношению к другим близлежащим галактикам, поэтому в основном две галактики движутся навстречу друг другу из-за взаимной гравитации или удаляются друг от друга из-за к расширению пространства. Теперь в системе из 3 или более галактик с одинаковыми массами они могут получить некоторую тангенциальную скорость, но, вообще говоря, направление между любыми 2 большими галактиками в основном либо вперед, либо в сторону, а не по орбите.

Еще одна вещь, которую следует иметь в виду, когда эффект однородности перекрывается локальной гравитацией локальных групп или скоплений, заключается в том, что массивные объекты на таких расстояниях не совсем быстро притягивают друг друга. Требуется много времени, чтобы постепенное ускорение превратилось в соответствующую скорость.

При нашем нынешнем расстоянии от Андромеды (около 2,5 миллионов световых лет) и ее текущей массе (около 1,5 триллиона солнечных масс) на нас действует сила G, используя приведенную ниже формулу (при необходимости можно добавить математику):

составляет около 1/2,8 триллионной доли метра в секунду в квадрате. Это менее 1/20 000 гравитационного притяжения Плутона на Земле. Такое небольшое притяжение будет очень медленно ускорять объекты друг к другу, поэтому (я думаю) в течение первого миллиарда или нескольких миллиардов лет расширение пространства между Млечным путем и Андромедой, вероятно, превышало любую гравитационно-обусловленную скорость между ними.

Хорошая новость заключается в том, что Андромеда и Млечный Путь долгое время тянули друг друга. Около 13 миллиардов лет или около того. 1/2,8 триллиона м/с^2 за миллиард лет составляет около 11 км/с. Более 13 миллиардов лет, 143 км/с. И реальная скорость, с которой Млечный Путь движется к Андромеде, не так уж и далека от этой, около 110 км/с. Это прямо здесь дает нам приблизительную оценку Netwonian того, как далеко они были друг от друга, когда они начали. (Теперь, сноска, для объектов примерно одинаковой массы вы должны взять массу обоих из них, а не только большего, так что это ближе к 15 или 16 км / с за миллиард лет), но это не меняется. общие цифры слишком много.

Расширение темной энергии (которое в настоящее время между Млечным Путем и Андромедой составляет около 60 км/с), и это делает расчеты немного более сложными, тем более что расширение темной энергии могло не быть постоянным в течение последних 13 миллиардов лет. Соответствующая статья здесь .

При нынешней скорости они движутся вместе, около 110 км/с, или 250 000 миль в час, или 1/2 680 с. Через миллиард лет при нынешней скорости Андромеда будет ближе на 375 000 световых лет (а в действительности, чуть больше, чем продолжают ускоряться за счет взаимной гравитации, и расширение темной энергии будет уменьшаться по мере их приближения).

И если мы будем работать в обратном направлении, миллиард лет назад это было немногим менее чем на 375 000 световых лет дальше, чем нынешнее расстояние в 2,5 миллиона световых лет, с уменьшением расстояния дальше по сравнению с предыдущими интервалами в миллиард лет. Чем дальше вы уходите, тем труднее узнать, насколько близко они были, когда местная гравитация стала ключевым фактором по сравнению с однородностью, что делает оценки довольно трудными, но, вероятно, они никогда не были так далеко друг от друга, как сейчас. Возможно, вдвое, как очень приблизительное предположение. Поскольку гравитационное ускорение падает пропорционально квадрату расстояния, мне трудно поверить, что Андромеда когда-либо была намного более чем в два раза дальше, чем сейчас.

Я бы предположил, основываясь на своих предположениях, приведенных выше, что к тому времени, когда галактики стали распознаваться как галактики, скажем, когда Вселенной было миллиард или 2 миллиарда лет (плюс-минус), Андромеда и Млечный путь, вероятно, удалялись от друг друга изначально, но со временем гравитационное притяжение смогло преодолеть расширение пространства.

Краткий ответ:

Inflation

Две галактики образовались на большом расстоянии друг от друга почти через миллиард лет после Большого взрыва. Сегодня они близки как никогда.

Большинство людей подчеркивали роль, которую играет расширение Вселенной, однако это расширение на самом деле не «отталкивает» Андромеду, а только меняет частоту света, излучаемого Андромедой, так что мы можем связать скорость, которая даст тот же эффект Доплера (когда объект излучает волну, например, пожарная машина, и уходит, полученная волна имеет более низкую частоту, чем излучаемая).

Более правильным ответом было бы то, что две галактики являются результатом долгой аккреции (газа) и истории слияния (с другой, ныне исчезнувшей галактикой меньшего размера). Каждое из этих событий изменило скорость Андромеды и Млечного Пути относительно системы покоя, так что скорость в настоящее время является результатом этих многочисленных взаимодействий, гравитационного притяжения одного из них друг к другу, а также гравитационного потенциала, создаваемого местными группа (группа галактик, к которой принадлежит Млечный Путь и Андромеда, содержащая, например, Большое Магелланово Облако).

Если вам нужна иллюстрация того, как выглядит формирование галактики, вы можете взглянуть на симуляцию, такую ​​как симуляция Horizon-AGN. Есть видео (здесь: http://www.horizon-simulation.org/movies/horizon-AGN_denseproj.avi ), в котором вы можете увидеть галактики, формирующиеся в космологических рамках. В фильме каждая яркая точка — это формирующаяся галактика. Вы можете видеть много очень сложных взаимодействий, так что две галактики, близкие друг к другу сегодня, могли образоваться очень далеко и сблизиться.

В случае с двумя нашими галактиками, поскольку мы находимся в группе галактик, вы можете ожидать, что начальные местоположения наших двух галактик на самом деле сильно отличались от современных. Причина этого в том, что в прошлом, как очень правильно объяснил пользователь LTK, расстояния были меньше, так что гравитационное притяжение объектов было (в среднем по местной группе) сильнее, чем сегодня. Поэтому взаимодействие материи, формирующей сейчас группу галактик, в которой лежали МВ и Андромеда, имело гравитационное взаимодействие как-то сильнее, чтобы относительная скорость была выше. Из-за этого две наши галактики путешествовали в течение 14 миллиардов лет из какого-то отдаленного места в свое нынешнее местоположение, где они случайно движутся навстречу друг другу.