Pourquoi les galaxies entrent-elles en collision?


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Si l'univers se développe vers l'extérieur, quels sont les processus pour qu'une galaxie se détache suffisamment pour entrer en collision avec une autre?

Disons, la galaxie d'Andromède et la voie lactée.


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C'est un peu comme demander pourquoi les molécules d'un nuage de gaz en expansion entrent en collision.
uhoh

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De plus, l'expansion dans l'espace-temps est bizarre.
Fraise

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@uhoh: à l'exception de toutes les différences, c'est "la même question, une échelle différente". :-)
Bob Jarvis - Réintègre Monica

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Pour ne pas être impoli, mais je veux juste clarifier que les galaxies ne peuvent pas vraiment être "hors piste". Il n'y a pas de piste définie pour eux (sauf si votre question concerne un simulateur d'univers ou quelque chose). Ils sont juste là où ils sont et les lois de la physique déterminent leurs mouvements. La gravité est la force principale qui attire les galaxies les unes vers les autres.
Ben Sandeen

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@uhoh: Ou comme "Pourquoi les gens se rencontrent-ils dans la rue si l'univers se développe. ^^
Zaibis

Réponses:


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L'univers se développe à grande échelle. Mais localement, les choses sont toujours en désordre.

Localement, les galaxies ne sont pas gravées dans le marbre, elles se déplacent les unes par rapport aux autres et les directions sont aléatoires. S'ils se rapprochent assez rapidement, ils entreront en collision.

Il y a aussi la gravité. Certaines galaxies sont liées les unes aux autres par gravité, ce qui aura tendance à les rapprocher.

Quant à savoir pourquoi les galaxies se déplacent, les unes par rapport aux autres - eh bien, les choses dans cet univers ont une énergie cinétique, et elle est distribuée au hasard. Étant distribués au hasard, toutes sortes de scénarios sont possibles - des choses qui s'échappent les unes des autres, se zooment, se heurtent, etc.

C'est un univers désordonné et aléatoire, et l'ordre d'expansion ne devient apparent qu'à la plus grande échelle.


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Y a-t-il une preuve que la distribution d'énergie est bien aléatoire? Si cela implique une question Stack distincte, faites-le moi savoir.
Mindwin

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@Mindwin: CMB est aléatoire. La masse est aléatoire. Qu'est-ce qui vous fait penser que l'énergie cinétique pourrait être non aléatoire?
DevSolar

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@aleppke - Je pense que vous confondez deux significations différentes de "aléatoire" - celle de quelque chose qui se comporte d'une manière qui ne peut pas être modélisée (c'est-à-dire qu'elle est vraiment imprévisible), et celle de quelque chose qui peut être modélisé, mais qui a plusieurs états à choisir (par exemple le lancer de dés). Dans ce cas, DevSolar déclare que, tout comme le CMB et la masse, l'énergie cinétique n'est pas répartie uniformément. Si vous imaginez l'énergie cinétique comme des flèches sur du papier pointant dans des directions aléatoires - les espaces entre elles peuvent se déplacer progressivement vers l'extérieur, mais certaines des flèches pointent toujours l'une vers l'autre.
Myles

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@aleppke C'est en fait une très grande discussion. Le vrai hasard existe, c'est le résultat de certains phénomènes quantiques. Mais il est vrai que les trajectoires des corps sont assez déterministes. Cependant, de nombreux corps se déplaçant par gravité créent des systèmes chaotiques complexes. Le comportement après une longue période est essentiellement impossible à prévoir, sauf sur le plan statistique. Ne restez pas coincé sur le mot "aléatoire" dans la réponse car il n'a pas été utilisé dans un sens strict et naïf. Ce que je voulais dire, c'est - c'est une distribution complexe qui simule assez bien certains aspects du vrai hasard pour cette discussion.
Florin Andrei

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@Mindwin: En termes simples, c'est le plus plausible: compte tenu du grand nombre de masses se déplaçant indépendamment (c'est-à-dire que toute influence gravitationnelle est secondaire), elles pourraient être toutes au repos les unes par rapport aux autres - mais cela donnerait la préférence à un référentiel inertiel ( au moins régionalement); ils se déplacent donc. Toute direction préférée ou rotation commune serait contraire à l'anisotropie que nous attendons fortement
Hagen von Eitzen

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Les galaxies ne sont pas vraiment "hors piste" - ce n'est pas impossible, mais ce genre de chose n'arrive probablement plus (car l'espace continue de s'étendre). Ce qui se passe réellement, c'est que les galaxies forment des amas liés par gravitation - au sein de l'amas, l'accélération due à la gravité est plus grande que l'expansion équivalente de l'espace entre les galaxies, donc plutôt que de devenir plus éloignées, les galaxies en question se rapprochent en fait au fil du temps. Finalement, cela se traduit par une collision et une fusion.

Si l'expansion reste à peu près constante, il arrivera un moment où nous ne serons plus en mesure de voir des galaxies en dehors de notre propre amas. Mais pour ceux qui sont assez proches, cela a peu d'effet - tout comme l'expansion de l'espace ne fait pas grossir les atomes, les planètes, les systèmes solaires ou les galaxies.


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"les galaxies en question se rapprochent en fait au fil du temps. Finalement, cela se traduit par une collision et une fusion". Vraiment? Comment perdent-ils leur énergie cinétique? Les ondes gravitationnelles sont-elles suffisantes? Quelle est l'échelle de temps supposée?
Peter - Réintègre Monica

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@ PeterA.Schneider Les nuages ​​de gaz / poussière entrent en collision directement, les interactions de marée éloignent les banderoles d'étoiles de la masse combinée des 2 galaxies transportant l'élan. L'AFAIK gravite les ondes, un non-facteur total dans la fusion des galaxies (mais serait impliqué dans une éventuelle fusion des trous noirs centraux). L'échelle de temps est de centaines de millions à un milliard ou deux ans.
Dan Neely

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@DanNeely je vois. La raison étant que si l'espace intergalactique est vaste, il n'est pas aussi vaste que l'espace interstellaire ...
Peter - Rétablir Monica

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"Finalement, cela se traduit par ... une fusion" - attendez. "Cher Sol: comme vous le savez, la récente fusion des galaxies de la Voie lactée et d'Andromède a formé la nouvelle super-galaxie MilkyMeda. Malheureusement, en raison des efforts de consolidation et de restructuration, un nombre limité de postes ont été licenciés, y compris le vôtre. Nous le regrettons sincèrement et sont en outre attristés de constater qu'aucun poste nécessitant votre ensemble unique de compétences n'est disponible. Veuillez rassembler vos effets personnels, y compris toutes les lunes et les planètes, et vous présenter au trou noir le plus proche pour une réaffectation. Je vous souhaite tout le meilleur. .. "
Bob Jarvis - Réintègre Monica

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@Acccumulation Oui bien sûr; le mot-clé était "relatif", aux tailles des systèmes planétaires et des galaxies, respectivement. Les galaxies en grappes sont beaucoup plus proches les unes des autres par rapport à leur diamètre que les systèmes planétaires les unes par rapport aux autres, par rapport à leur diamètre. C'est pourquoi nous n'avons pas beaucoup de perturbations de marée entre les systèmes planétaires, mais plus fréquemment entre les galaxies.
Peter - Réintègre Monica

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Je ne suis pas sûr que quelqu'un ait répondu à la question posée. La cause profonde est en effet que les structures liées par gravitation avec des échelles de temps en chute libre beaucoup plus courtes que l'âge de l'univers ne sont pas grandement affectées par l'expansion générale de l'univers (NB: les structures avec des échelles de temps en chute libre plus longues que cela ne vont pas être la source de nombreuses collisions de galaxies). Autrement dit, l'expansion au sein de ces structures est négligeable. Cependant, cela ne conduit pas nécessairement à des collisions sur une échelle de temps plus courte que l'âge de l'univers.

La première raison des collisions de galaxies est que les amas de galaxies ont une très grande densité de nombres - c'est-à-dire que l'espacement entre les galaxies n'est pas beaucoup plus grand que la "taille" d'une galaxie, où ici, "taille" signifie l'interaction efficace transversale rayon. En raison de ces densités élevées, les échelles de temps dynamiques en chute libre dans les amas riches (et même les plus petits groupes de galaxies) sont de l'ordre de milliards d'années et il y a donc beaucoup de temps pour que les galaxies interagissent. En revanche, réfléchissez à la façon dont vous pourriez construire un modèle à l' échelle des étoiles dans le voisinage local et comparez les tailles des étoiles avec leurs séparations. En fait, il serait difficile de faire un tel modèle à l'échelle avec des étoiles de taille significative. D'un autre côté, vous pouvezdix

La deuxième raison est que de nombreuses galaxies contiennent du gaz et que le gaz peut facilement dissiper l'énergie cinétique et également transférer la quantité de mouvement angulaire. Un autre facteur est que les amas massifs de galaxies contiennent du gaz intracluster qui peut également servir à dissiper l'énergie cinétique. Dans un système lié par gravitation, les objets qui sont en orbite autour l'un de l'autre ou autour d'un centre de masse commun ont besoin de moyens par lesquels l'énergie cinétique et le moment angulaire peuvent être perdus pour qu'une collision se produise. Même sans gaz, le fait que les galaxies existent en groupes et en amas signifie que les interactions n-corps peuvent servir à dissiper l'énergie et le moment angulaire pour provoquer une collision.


Ma suggestion très vague de compréhension selon laquelle "les structures liées gravitationnellement ne sont pas affectées par l'expansion générale de l'univers" est limitée à celles dont les périodes orbitales sont courtes par rapport à la constante de Hubble inverse. Est-ce raisonnable ou suis-je sur la bonne voie?
dmckee

En outre, vaut-il la peine d'être explicite que les amas sont une situation à corps multiples, ce qui signifie que les simples sections coniques de la mécanique orbitale à deux corps ne sont pas toute l'histoire?
dmckee

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+1mais j'ai toujours été mal à l'aise avec le phrasé souvent répété (sous diverses formes) des "structures liées gravitationnellement ne sont pas affectées par l'expansion métrique de l'espace". L'expansion métrique ne se produit pas partout, mais est moins observable dans les systèmes liés gravitationnellement l'effet est-il dominé par le mouvement local en raison de la liaison gravitationnelle du système? Il ne "repousse" pas, ne bloque pas ou n'arrête pas l'expansion métrique, autant qu'il la domine simplement de manière observationnelle? Je peux poser cette question séparément si cela fournit un meilleur format.
uhoh

Est-ce que "facto" est une faute de frappe ou une sorte d'utilisation spécialisée que je n'ai jamais vue auparavant?
phoog

@phoog Je propose de faire de "facto" un mot. Défini comme une information souvent présentée comme un fait défendable dans des circonstances spécifiques mais généralement incomplète ou trompeuse à un niveau tel qu'elle ne devrait pas être présentée comme un fait. Cette définition fait de la science populaire l'écriture de l'art d'aligner les factos d'une manière agréable.
dmckee

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Les galaxies ne sont pas «hors piste» - pour voir comment les collisions se produisent, nous devons retourner très tôt à la formation des galaxies.

Donc, le Big Bang arrive. L'espace commence à s'étendre - de façon spectaculaire et dans une large mesure. C'est l'espace lui-même en expansion, pas les galaxies qui se déplacent dans l'espace, soit dit en passant - les distances elles-mêmes changent. (C'est pourquoi cela s'appelle une expansion "métrique", métrique étant un terme pour des mesures de distance, et aussi pourquoi les cosmologistes disent que le Big Bang s'est produit "partout").

À une infime fraction de seconde, l'expansion massive ralentit. L'espace continue de s'étendre, mais à un rythme beaucoup plus lent. La dernière des forces fondamentales se dissipe et le cosmos est laissé comme un mélange dense incroyablement chaud, si chaud que même les particules de base comme les protons, les neutrons et les électrons ne peuvent pas encore exister - bien que les quarks le puissent.

Mais il se passe des choses très subtiles. Même si l'expansion nous a laissé un univers incroyablement uniforme et homogène, la densité varie légèrement entre les endroits. Alors que les choses se refroidissent et que les particules commencent à se condenser (et à s'anéantir, entre autres), l'univers se retrouve avec ce que les cosmologistes appellent les ondes acoustiques - essentiellement des ondes stationnaires. Et si vous avez déjà vu des vidéos d'un plateau de sable vibré , vous saurez qu'un effet est qu'il laisse certains endroits avec plus de sable, d'autres avec moins, en raison de modèles d'interférence. Notre univers finit donc, au fur et à mesure de son expansion, par des zones plus denses, d'autres moins denses.

Un deuxième effet entre en jeu. Vous saurez (ou avez entendu parler de) la matière noire. Nous ne savons pas de quoi il est fait, mais nous savons qu'il existe (les galaxies ne pourraient pas se former sans lui, elles se sépareraient ou mettraient plus de temps que l'âge de l'univers à se former), et nous savons beaucoup de choses sur la façon dont il se comporte - à quelles forces il réagit et quelles forces il ne réagit pas. Interagissez par gravité - oui, très faiblement. Interagissez via la force électromagnétique - non, pas du tout. Ce dernier élément est crucial.

Lorsque la matière "ordinaire" s'effondre, elle se réchauffe. C'est ainsi que nous obtenons des étoiles, par exemple. Le rayonnement libéré lors de l'effondrement agit également comme une sorte de pression, s'opposant à l'effondrement, le ralentissant. C'est pourquoi les étoiles comme notre soleil sont stables pendant si longtemps. La matière noire n'interagit pas électromagnétiquement (pour autant que nous le sachions), elle ne peut donc pas subir ni créer de rayonnement électromagnétique. Alors quand il s'effondre, il ne fait pas chaud, il ne dégage pas de rayonnement ... Je pense que vous pouvez voir où cela va. Il n'y a pas de rayonnement libéré pendant l'effondrement pour résister à un nouvel effondrement, il peut donc s'effondrer beaucoup plus rapidement que la matière ordinaire . En aparté, caril ne peut pas libérer de rayonnement, il ne peut pas non plus rejeter l'énergie dont il faut se débarrasser pour permettre la formation d'objets denses. Il finit donc par s'effondrer rapidement en un "halo" diffus et flou, mais il ne peut plus s'effondrer davantage. Et sans surprise, il s'effondre aux endroits où l'univers était fractionnellement plus dense. Vous obtenez donc ce que les cosmologistes appellent des "filaments" et des "halos" de matière noire, un peu comme une éponge ou un fromage suisse, avec des "vides" comparatifs les séparant. La matière ordinaire est plus fortement attirée par ces filaments et halos de matière noire déjà existants. Il s'effondre vers eux. L'auto-gravité de la matière ordinaire est renforcée par la gravité due aux concentrations de matière noire là-bas - et la matière ordinaire peut perdent de l'énergie par rayonnement, donc elle s'effondre plus que la matière noire, pour former les galaxies et leur contenu que nous pouvons voir aujourd'hui.

La gravité peut le faire, car l'expansion de l'univers a tellement ralenti depuis son «apogée», que la gravité peut rassembler une partie de la matière dans l' espace plus rapidement que l'expansion ne peut ajouter de l'espace entre eux . Sur les distances cosmiques, la gravité est beaucoup plus faible et l'expansion domine, de sorte que les amas et les superamas se séparent toujours, mais au sein des amas, les galaxies et les groupes de galaxies sont suffisamment accélérés par la gravité pour rester principalement dans leurs groupes et amas et se déplacer ou orbite en leur sein.

Nous nous retrouvons donc avec un univers qui, à l'échelle cosmique, nous voyons l'expansion "gagner" car la gravité est faible, nous voyons donc les superamas se séparer. Mais au sein des amas et des groupes de galaxies, nous voyons la gravité "gagner" parce qu'elle est plus forte sur de plus petites distances, donc les amas et les entités liées gravitationnellement comme les galaxies restent ensemble.

Ce que cela signifie à son tour, c'est que les galaxies et les groupes de galaxies sont liés par la gravité plus qu'ils ne sont séparés par l'expansion. Ils continuent donc à évoluer au sein de leurs clusters et groupes, malgré une expansion universelle. Et, parfois, parce que le mouvement de 3 corps séparés ou plus sous gravité est chaotique (et les amas peuvent contenir des milliards ou des milliards de galaxies), des galaxies entières seront éjectées, ou entreront en collision, ou feront tout ce que font les galaxies. Et c'est comme ça que ça se passe.

(Bien que vous ne l'ayez pas demandé, il est naturel de se demander ce qui se passera ensuite. Nous pensons que le taux d'expansion a lentement augmenté. Cela signifie que dans un avenir lointain (des dizaines et des centaines de milliards d'années), que les galaxies doivent être encore plus proches les uns des autres, pour que la gravité domine l'expansion. Ainsi, les amas qui sont stables maintenant pourraient se séparer dans un avenir lointain. Mais c'est quelque chose que personne ne sait.)


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70km.s-1Mpc-170km.s-1110km.s-170km.s-1


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Bien que l'Univers se développe et, en général, plus une galaxie est éloignée de nous, plus elle semble s'éloigner rapidement de nous. Cela ne s'applique pas aux galaxies du groupe local. qui est une structure liée gravitationnellement. La galaxie d'Andromède se déplace vers la Voie lactée à environ 400 000 km / h et la Voie lactée et Andromède devraient entrer en collision dans environ 4 milliards d'années. Lorsque cela se produit, une nouvelle grande galaxie unique sera formée. La nouvelle galaxie qui sera formée par la fusion porte parfois le nom de Milkomeda. Pour plus de détails, consultez mon récent article de blog sur ce sujet.

Au fil des milliards d'années, Milkomeda absorbera progressivement les autres membres du groupe local.

En général, toute structure liée par gravitation telle que: les systèmes stellaires (par exemple le système solaire), notre galaxie et les groupes et amas de galaxies ne s'agrandissent pas à mesure que l'Univers se développe)

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