¿Cómo se separaron la Vía Láctea y la Galaxia de Andrómeda antes de que comenzaran su curso de colisión?

Pensé que era una pregunta divertida, lo pensé un poco. La versión de Layman, por lo que las correcciones son bienvenidas.

El universo muy primitivo, los primeros segundos más o menos, fue bastante denso. Esto está bastante bien publicitado y los detalles y detalles realmente no importan para esta pregunta, pero la energía y las cosas en el universo primitivo que luego formaron la Vía Láctea y la energía y las cosas que formaron Andrómeda eran vecinos cósmicos y en el primero segundos del universo, bastante cerca uno del otro. La regla básica de Hubble es que las cosas que están cerca (en términos cosmológicos) siempre estuvieron cerca, como los puntos en un globo que se infla. Todo se aleja de todo lo demás, pero las cosas que estaban una al lado de la otra siempre estuvieron una al lado de la otra. En escalas más pequeñas, como estrellas dentro de galaxias o planetas, esto no es cierto debido a las ayudas gravitatorias y las diferentes trayectorias orbitales, pero es cierto para las galaxias. (Puede haber alguna pequeña variación en esto con "

Otro punto importante a destacar sobre el universo primitivo es que era mucho más uniforme, por lo que, debido a la uniformidad, la gravedad tiraba casi por igual en todas las direcciones. Las nubes cercanas algo más masivas de materia y energía no dominaban gravitacionalmente porque había una masa similar en todas las direcciones. Podría pensar que un universo más denso significa una gravedad más fuerte en la dirección de la materia cercana, pero eso no sucede si la materia se distribuye de manera suficientemente uniforme en todas las direcciones.

Entonces, hablando en términos generales, en el universo muy joven, lo que se convirtió en la Vía Láctea y lo que se convirtió en Andrómeda comenzaron mucho más cerca, pero no se acercaron mucho desde el principio debido a la uniformidad.

Con el tiempo, la gravedad local superó la uniformidad. No podría decirles cuándo sucedió eso (tal vez alguien aquí pueda hacerlo), pero tomó algún tiempo antes de que comenzaran a formarse los componentes de los grupos y cúmulos galácticos. Sabemos por el mapa de radiación de fondo que el Universo todavía era bastante uniforme hasta 380.000 años después del Big Bang. Ver imagen:

(Editar debido a la corrección). Y a los 380.000 años, se cree que el Universo conocido es aproximadamente 1/1100 de su radio actual. Sabemos por la radiación cósmica de fondo que en ese momento, el Universo todavía era en gran parte uniforme, aunque la falta de uniformidad condujo a la formación de galaxias, cúmulos y supercúmulos, por lo que era importante, pero aún tomó algún tiempo para local. formar grupos y cúmulos galácticos.

Ver aquí _

En este mapa, las regiones cálidas, que se muestran en rojo, son 0,0002 Kelvin más calientes que las regiones frías, que se muestran en azul.

y

Se cree que estas fluctuaciones de la temperatura de las microondas cósmicas rastrean las fluctuaciones en la densidad de la materia en el universo primitivo, ya que quedaron impresas poco después del Big Bang. Siendo este el caso, revelan mucho sobre el universo primitivo y el origen de las galaxias y la estructura a gran escala en el universo.

Pero una vez que la gravedad local superó la uniformidad, las galaxias pueden comenzar a unirse entre sí de manera más eficiente. El patrón de telaraña de las galaxias muestra que existe una tendencia a que esto suceda, ya que las galaxias atraen a otras galaxias hacia ellas, incluso cuando el espacio se expande, por lo que se obtienen líneas de regiones más densas con más galaxias y bolsas de espacio vacío, en su mayoría libres de galaxias. .

Fuente de la imagen para lecturas adicionales .

Entonces, lo que básicamente sucedió con Andrómeda y la Vía Láctea es que la combinación de expansión con la uniformidad los colocó bastante separados incluso cuando aún se estaban formando, pero aún eran vecinos de al lado en lo que respecta a las galaxias.

Tanto la Vía Láctea como Andrómeda han absorbido galaxias enanas más pequeñas y cercanas, quizás muchas veces, por lo que no eran las 2 más cercanas, pero eran las 2 galaxias no enanas más cercanas (al menos, que sepamos).

Podrías pensar que las galaxias podrían orbitar otras galaxias, pero la naturaleza de la expansión del Hubble no le da a las galaxias mucha velocidad tangencial hacia otras galaxias cercanas, así que básicamente, 2 galaxias se mueven una hacia la otra debido a la gravedad mutua o se alejan una de la otra debido a la ampliación del espacio. Ahora, en un sistema de 3 o más galaxias con masas similares, pueden obtener cierta velocidad tangencial, pero en términos generales, la dirección entre 2 galaxias grandes es principalmente hacia o desde afuera, no una órbita.

Otra cosa a tener en cuenta, una vez que el efecto de uniformidad es superado por la gravitación local de grupos o cúmulos locales, es que los objetos masivos a estas distancias no se atraen exactamente entre sí rápidamente. Se necesita mucho tiempo para que la aceleración gradual se convierta en una velocidad relevante.

A nuestra distancia actual de Andrómeda (alrededor de 2,5 millones de años luz), y su masa actual (alrededor de 1,5 billones de masas solares), es una fuerza G sobre nosotros, usando la fórmula a continuación (se pueden agregar matemáticas si es necesario):

equivale aproximadamente a 1/2,8 billonésimas de metro por segundo al cuadrado. Eso es menos de 1/20,000 de la atracción gravitatoria que tiene Plutón en la Tierra. Un tirón tan pequeño acelerará las cosas entre sí extremadamente lentamente, por lo que (creo) durante los primeros mil millones o unos pocos miles de millones de años, la expansión del espacio entre la Vía Láctea y Andrómeda probablemente superó cualquier velocidad causada por la gravedad entre ellos.

La buena noticia es que Andrómeda y la Vía Láctea han tenido mucho tiempo para ayudarse mutuamente. Unos 13 mil millones de años más o menos. 1/2,8 billones de m/s^2 durante mil millones de años equivale a unos 11 km/s. Más de 13 mil millones de años, 143 km/s. Y la velocidad real a la que la Vía Láctea se está moviendo hacia Andrómeda no está muy lejos de eso, unos 110 km/s. Ahí mismo nos da una estimación netwoniana aproximada de qué tan separados estaban cuando comenzaron. (Ahora, nota a pie de página, para objetos de masa algo similar, debe tomar la masa de ambos, no solo la del más grande, por lo que está más cerca de 15 o 16 km/s por mil millones de años), pero eso no cambia los números generales demasiado.

La expansión de la energía oscura (que actualmente, entre la Vía Láctea y Andrómeda es de unos 60 km/s), y eso hace que los cálculos sean un poco más complicados, especialmente porque la expansión de la energía oscura podría no haber sido constante durante los últimos 13 mil millones de años. Artículo relacionado aquí .

A la velocidad actual se mueven juntas, a unos 110 km/s o 250 000 mph o 1/2 680 c. En mil millones de años a la velocidad actual, Andrómeda estará 375 000 años luz más cerca (y, en realidad, un poco más, ya que estará seguirán acelerándose por gravedad mutua y la expansión de la energía oscura se reducirá a medida que se acerquen).

Y si trabajamos hacia atrás, hace mil millones de años estaba un poco menos de 375.000 años luz más lejos que la distancia actual de 2,5 millones de años luz, con distancias cada vez menores en intervalos de mil millones de años anteriores. Cuanto más retroceda, las dificultades para saber qué tan cerca estaban cuando la gravedad local se convirtió en un factor clave sobre la uniformidad hace que las estimaciones sean bastante difíciles, pero probablemente nunca estuvieron demasiado lejos de lo que están ahora. Quizás el doble, como una suposición muy aproximada. Debido a que la aceleración gravitatoria cae en el cuadrado de la distancia, me resulta difícil creer que Andrómeda alguna vez estuvo mucho más del doble de lo que está ahora.

Me imagino, basado en mis suposiciones anteriores, que en el momento en que las galaxias eran reconocibles como galaxias, digamos, cuando el universo tenía mil millones o 2 mil millones de años (más o menos), Andrómeda y la Vía Láctea probablemente se estaban alejando de entre sí inicialmente, pero con el tiempo, la atracción gravitacional fue capaz de superar la expansión del espacio.

La respuesta corta es:

Inflation

Las dos galaxias se formaron a una gran distancia una de la otra, casi mil millones de años después del Big Bang. Están más cerca hoy que nunca.

La mayoría de la gente subrayó el papel jugado por la expansión del universo, sin embargo, esta expansión en realidad no está 'empujando' a Andrómeda, solo está cambiando la frecuencia de la luz emitida por Andrómeda, de modo que podemos asociar una velocidad que le daría a la mismo efecto Doppler (cuando un objeto está emitiendo una onda, como un camión de bomberos, y se va, la onda recibida es de menor frecuencia que la emitida).

La respuesta más correcta sería que las dos galaxias son el resultado de una larga acumulación (de gas) y una historia de fusión (con otra galaxia más pequeña ahora desaparecida). Cada uno de estos eventos cambió la velocidad de Andrómeda y la Vía Láctea en relación con un marco de reposo, por lo que la velocidad actual es el resultado de estas numerosas interacciones, la atracción gravitacional de uno sobre el otro, así como el potencial gravitatorio creado por el local. grupo (el grupo de galaxias al que pertenecen la Vía Láctea y Andrómeda, que contiene por ejemplo la Gran Nube de Magallanes).

Si desea una ilustración de cómo se ve la formación de una galaxia, puede echar un vistazo a una simulación, como la simulación Horizon-AGN. Hay un video (aquí: http://www.horizon-simulation.org/movies/horizon-AGN_denseproj.avi ) en el que se pueden ver galaxias formándose dentro de un marco cosmológico. En la película, cada punto brillante es una galaxia en formación. Puedes ver muchas interacciones muy complicadas, de modo que dos galaxias cercanas entre sí hoy pueden haberse formado muy lejos y se acercaron.

En el caso de nuestras dos galaxias, debido a que estamos ubicados en un grupo de galaxias, puede esperar que las ubicaciones iniciales de nuestras dos galaxias fueran en realidad muy diferentes en comparación con la actualidad. La razón de esto es que en el pasado, como explicó correctamente el usuario LTK, las distancias eran más pequeñas, por lo que la atracción gravitacional de los objetos era (en promedio en el grupo local) más fuerte que en la actualidad. Por lo tanto, la interacción de la materia que ahora está formando el grupo de galaxias en el que se encuentran el MW y Andrómeda tuvo interacciones gravitatorias de alguna manera más fuertes, por lo que la velocidad relativa fue mayor. Debido a eso, nuestras dos galaxias han estado viajando durante 14 Gyr desde algún lugar remoto hasta su ubicación actual, donde se encuentran yendo una hacia la otra.