Galaksi oluşumu ve evrimi

Gökadaların ortaya çıkma ve evrimlerinin incelenmesi bir bakıma gökadaların nasıl meydana geldikleri ve evren tarihinde nasıl bir evrim yolu izledikleri sorularının yanıtlanması girişimleridir. Bu alandaki bazı teoriler geniş ölçüde kabul görmekle birlikte, bu alan astrofizikte halen ilerlemeler bekleyen etkin (araştırmaların sürdüğü) bir alandır.
Gökadaların oluşumu
Evrenin halihazırdaki erken "model"leri Big Bang kuramına dayanmaktadır. Big Bang olayının başlangıcından 300.000 yıl sonra hidrojen ve helyum atomları rekombinasyon denilen bir olayla oluşmaya başladılar. Bu dönemde hemen hemen tüm hidrojen nötrdü (iyonize olmamış), ışığı kolaylıkla soğurabilir haldeydi ve yıldızlar henüz oluşmamışlardı. Dolayısıyla bu döneme "Karanlık Çağlar" adı verilir. Yoğunluk kararsızlıklarının (ya da anizotropik düzensizliklerinin) olduğu bu ilk maddede büyük yapılar belirmeye başladılar. Baryonik madde kütleleri karanlık maddenin soğuk halelerinde (İng. halo) yoğunlaşmaya başladılar. Bu ilk yapılar sonradan, günümüzde gördüğümüz gökadalar haline geleceklerdi.
Gökadaların bu erken durumuna ilişkin kanıt 2006da IOK-1 gökadasının keşfedilmesiyle elde edildi. Bu gökada 6.96 gibi olağan-dışı yüksek bir kırmızıya kayma içerisindeydi ki, bu da Büyük Patlama başlangıcından 750 milyon yıl sonra meydana geldiğini gösteriyor ve şimdiye dek gözlemlenenler içinde en uzak ve en eski gökada olduğunu ortaya koyuyordu. Her ne kadar bazı bilim insanları Abell 1835 IR1916 gibi başka gök cisimlerinin IOK-1den daha yüksek bir kırmızıya kayma içerisinde olduğunu ileri sürmüşlerse de, şimdilik genel kabul, yaşı ve bileşimi bakımından IOK-1e öncelik vermektedir. Böyle öngökadaların (protogalaksi) varlığı, bunların Karanlık Çağlar denilen dönemde oluşmuş olabilecekleri fikrini akla getirmektedir.
Bu tür erken gökada oluşumlarının ortaya çıkış süreci astronomide henüz tartışmaya açık temel meselelerden birini oluşturmaktadır. Bu konuya ilişkin teoriler iki kategoride ele alınabilir:
Yukarıdan aşağı teorilerine göre, öngökadalar yaklaşık yüz milyon yıl süren büyükölçekli ve eşzamanlı bir çökmeyle oluşmuşlardır. Bu teorilere ilişkin modellerden biri kısa adıyla ELS (EggenLynden-BellSandage) modeli olarak bilinir.
Aşağıdan yukarı teorilerine göre, önce küresel yıldız kümesi gibi küçük yapılar oluşmuş, bu küçük yapılar da birleşerek gökadaları meydana getirmişlerdir.. Bu teorilere ilişkin modellerden biri kısa adıyla SZ (Searle-Zinn) modeli olarak bilinir.
Bu teoriler artık büyük karanlık madde halelerinin muhtemel varlığını da hesaba katarak yeniden düzenlenmek durumundadır. Öngökadalar oluşmaya ve büzülmeye başladıktan sonra, bunlarda ilk hale yıldızları (Popülasyon III yıldızları, III. kuşak yıldızlar) ortaya çıkmışlardır. Bu yıldızlar tümüyle hidrojen ve helyumdan meydana gelmiş büyük yıldızlardı. Bu iri yıldızlar yakıt rezervlerini hızla tüketip süpernovalar haline geldiler ve yıldızlararası ortama ağır elementler saldılar. Bu ilk kuşak yıldızları çevredeki nötr hidrojeni iyonize ederek, uzayda ışığın yolculuk etmesine olanak veren oluşumlar yarattılar.
Evrim
Bir gökadanın oluşmasını sağlayıcı anahtar yapılar, Big Bang'ın başlangıcına kıyasla, bir milyar yıl içinde ortaya çıkmışlardır. Bunlar küresel yıldız kümeleri, dev kara delikler ve II. kuşak (yaşlı) yıldızlarından oluşan galaktik karındır. Öyle görünüyor ki, dev kara delikler, gökadaların büyümelerinin düzenlenmesinde anahtar bir rol oynamışlardır. Bu erken dönemde gökadalar büyük ölçüde yıldız doğumları yaşamışlardır.
Sonraki iki milyar yıl sırasında, biriken madde "gökada diski" içine yerleşmiştir. Bir gökada, yaşamı boyunca, kendine yüksek hız bulutları ve cüce gökadalardan çektiği maddeleri katar. Bu maddeler çoğunlukla hidrojen ve helyumdur. Yıldızların doğum-ölüm çevrimi, yavaş yavaş ağır elementlerin salınmasını artırır ki, bu, sonradan gezegenlerin oluşmasına imkan sağlayacaktır.
Çarpışmalarının ve kütleçekimsel etkileşimlerinin gökadaların evrimi üzerinde hatırı sayılır bir etkisi vardır. Erken dönemde gökada birleşmeleri daha yaygındı ve gökadaların çoğu, biçimleri bakımından tuhaf gökadalar (İng. peculiar galaxy) sınıfındaydılar. Yıldızlar arasındaki uzaklık yeterince büyük olduğundan, çarpışan gökadalardaki yıldızlar bu çarpışmadan etkilenmezler, yani gökadaların kendileri gibi değişikliğe uğramazlar. Bununla birlikte, spiral kolları oluşturan gaz ve tozun kütleçekim etkisiyle sıyrılması, gelgit kuyruğu denilen bir yıldız zincirinin meydana gelmesine neden olur. Bu tür oluşumların örnekleri NGC 4676 ve Antenler Gökadası adıyla bilinen çarpışan gökadalarda görülebilir.
Bu tür bir etkileşimin bir örneği de Samanyolu Gökadası ile komşusu Andromeda Gökadasıdır. Her iki gökada birbirlerine 130 km/s hızla yaklaşmaktadır ve hızlarını etkileyen yan hareketler göz ardı edilirse, yaklaşık 5-6 milyar yıl sonra çarpışacaklardır. Samanyolu Gökadası daha önce hiç bu kadar büyük bir gökada ile çarpışmamış olsa da, daha önce cüce gökadalar ile çarpışmış olduğuna ilişkin kanıtlar artmaktadır. Böyle büyük ölçekli çarpışmalar nadirdir ve zaman geçtikçe böyle iki denk gökadanın birleşmesi daha nadir hale gelmektedir. Parlak gökadaların çoğu ömürlerinin son milyar yıllarında böyle kökten bir değişikliğe uğramazlar.
Gelecek
İlkel yıldızın çökmesiyle meydana gelen yıldızlar, evrimleri boyunca kütlelerinin büyük bir kısmını yıldızlararası ortama atarak beyaz cüce, nötron yıldızı veya bir kara delik olarak evrimlerine son verirler. Günümüzde yıldız doğumlarının çoğu serin gazın pek tükenmemiş olduğu küçük gökadalarda meydana gelmektedir. Samanyolu Gökadası gibi sarmal gökadalar, spiral kollarındaki yıldızlararası yoğun hidrojen moleküler bulutlarına sahip oldukları sürece yalnızca yeni kuşak yıldızlar üretirler. Bu gazdan artık yoksun olduklarından eliptik gökadalar ise yeni yıldızlar üretemezler. Mevcut hidrojen rezervleri yıldızlarca tüketilip ağır elementlere dönüştürüldüğünde yeni yıldız doğumları meydana gelemez. Yıldızları yaşlandıkça gökadanın parlaklığı da giderek azalır.
İçinde bulunduğumuz "yıldız oluşum çağı"nın yüz milyar yıl süreceği tahmin edilmektedir. Kızıl cüceler gibi çok daha küçük ve giderek soluklaşan yaşlı yıldızların olacağı sonraki yıldız çağının 10-100 trilyon yıl süreceği düşünülmektedir. Bu yıldız çağının sonunda gökadalar şu sıkışık cisimlerden ibaret olacaklardır: Kahverengi cüceler, beyaz cüceler (soğumuş kara cüceler), nötron yıldızları ve kara delikler. Ardından kütleçekimsel gevşemenin sonucu olarak tüm yıldızlar kara deliklere düşecekler ya da çarpışmalar sonucunda galaksilerarası uzaya fırlatılacaklardır.