Niezmiernie ciekawym zagadnieniem jest powstanie i ewolucja galaktyk. Czy galaktyki różnych typów morfologicznych uformowały się na początku istnienia Wszechświata? A może z upływem czasu jedne z nich transformowały się w inne? Niewątpliwie skala czasowa tych zmian, wynosząca miliardy lat, nie pozwala prześledzić tego procesu dla jednego obiektu. Z pomocą przychodzą nam obserwacje odległych galaktyk. Ponieważ Wszechświat rozszerza się, więc obserwując dalsze jego rejony, sięgamy w przeszłość, a galaktyki widzimy jako młodsze od tych z najbliższego nam otoczenia. Tego typu badania - wymagające zebrania olbrzymiego, liczącego co najmniej setki tysięcy obiektów, materiału obserwacyjnego - stały się możliwe dopiero niedawno (m. in. dzięki projektom GAMA dla bliskich galaktyk czy VIPERS sięgającego do połowy obecnego wieku Wszechświata).

Barwa galaktyk

Całe bogactwo informacji o budowie galaktyk dają ich widma. Jednak obserwacje spektroskopowe słabych obiektów wymagają bardzo długich czasów ekspozycji oraz wykorzystania największych teleskopów. Znacznie szybciej obszerny materiał obserwacyjny możemy zebrać z wielobarwnej fotometrii wykonanej w kilku filtrach, np. w klasycznym systemie Johnsona UBVRI. Dysponując tą prostą metodą, jesteśmy w stanie oszacować kolor galaktyki, wyznaczając różnicę jasności obiektu w kilku wybranych filtrach. Umożliwia ona określenie poziomu aktywności gwiazdotwórczej badanych obiektów, a tym samym identyfikację galaktyk dyskowych (niebieskich) i eliptycznych (czerwonych) oraz pozwala szybko sięgnąć w odległe zakątki Wszechświata.

Rys. 1. Przykładowe widmo galaktyki dyskowej i eliptycznej oraz krzywe transmisji filtrów U, B i V. Barwa obiektu jest definiowana jako różnica jasności danego obiektu w dwóch różnych filtrach lub ich kombinacji.

Bimodalność koloru

Analiza histogramu koloru galaktyk z bliskiego nam Wszechświata pokazała jego bimodalność. Obserwowany przez nas świat galaktyk podzielony jest na dwa obozy.

Niebieski obszar większego i szerszego maksimum dystrybucji koloru odpowiada galaktykom dyskowym, a węższe maksimum tworzą galaktyki eliptyczne.

Rys. 2. Histogram koloru galaktyk VIPERSa położonych w zakresie przesunięcia ku czerwieni 0,5-1,0. Skrajne przerywane linie obejmują kolejno populację galaktyk dyskowych i eliptycznych, a kropkowana - obiekty z zielonej doliny. Górny wykres szacuje aktywność gwiazdotwórczą galaktyk (sSFR) w funkcji koloru.

Dalsze badania stwierdzają, że już 8 miliardów lat temu istniał wyraźny podział na galaktyki dwóch głównych typów morfologicznych.

Istnienie dwóch populacji galaktyk rodzi pytania. Jak one powstały i jaki jest związek między nimi?

Jeżeli aktywność gwiazdotwórcza galaktyk dyskowych wskazuje na to, że są one młodsze od eliptycznych, to czy wszystkie galaktyki eliptyczne powstały dawno, w początkowych fazach ewolucji Wszechświata, czy też proces ich powstawania jest ciągły i trwa do chwili obecnej? Na dominację tego drugiego scenariusza wskazują symulacje komputerowe formowania się struktur we Wszechświecie. W procesie hierarchicznego scenariusza, w wyniku łączenia się galaktyk dyskowych powstają galaktyki eliptyczne. Model ten wyjaśnia też wzrost liczebności galaktyk eliptycznych w miarę upływu czasu oraz większą masę gwiazdową typowych galaktyk eliptycznych od dyskowych. Jeżeli formowanie się galaktyk eliptycznych zachodzi również w chwili obecnej, to powinna istnieć grupa galaktyk będących w fazie transformacji. Obiekty te powinny mieć mniejszą aktywność gwiazdotwórczą na jednostkę masy gwiazdowej niż galaktyki dyskowe, ale większą niż eliptyczne.

Zielona dolina

Występujące na histogramie koloru dwa maksima wyraźnie identyfikują galaktyki dyskowe i eliptyczne. Spodziewamy się, że między nimi rozciąga się intrygujący obszar obiektów będących w fazie przejściowej, podróżujących z obszaru obiektów dyskowych do eliptycznych, tak zwanych galaktyk z zielonej doliny. Zielona dolina jest wygodnym i prostym sposobem identyfikacji obszaru galaktyk przejściowych, w których zachodzi szybki proces spadku aktywności gwiazdotwórczej i przebudowy fizycznego kształtu galaktyk. Galaktyki dyskowe nie umierają, a przekształcają się w eliptyczne - tracą dyski, a rozkład orbit gwiazd wokół jądra staje się niemal izotropowy. Procesowi temu towarzyszy utrata obłoków gazu. Wzrasta populacja starych gwiazd i następuje poczerwienienie barwy galaktyk. Tak drastyczna zmiana może zajść w wyniku kolizji galaktyk, łącznie z połączeniem się ich w jeden obiekt. Modele fizyczne i symulacje komputerowe pokazują, że proces ten trwa około miliarda lat. Uwzględniając masy i rozmiary galaktyk, widzimy, że jest on bardzo gwałtowny.

Aktualnym pytaniem jest, w jakim stopniu ta trzecia populacja galaktyk jest jednorodna pod względem zachodzących w nich procesów i własności fizycznych. Histogram koloru wszystkich galaktyk pokazuje nie tylko jego bimodalną strukturę, ale również wyraźną nadwyżkę galaktyk w rejonie zielonej doliny ponad sumę dwóch rozkładów Gaussa. Zajrzyjmy teraz głębiej w ten obszar, w zakresie przesunięć ku czerwieni od do 1, i podzielmy galaktyki pod względem przesunięcia ku czerwieni oraz jasności absolutnych galaktyk. Obraz, który nam się pojawia, uwidacznia, że w każdym z przedziałów rozkład barwy galaktyk jest dobrze opisany sumą dwóch funkcji Gaussa. Wyraźnie też widać zależne od jasności i redshiftu przesunięcia położeń lokalnych minimów, maksimów oraz amplitud rozkładów, od których zależy liczebność każdej z populacji. Wskazują one, że z upływem czasu barwa jasnych, a więc masywnych galaktyk, gwałtownie czerwienieje. Odpowiada za to szybki spadek aktywności gwiazdotwórczej spowodowany utratą rezerwuaru gazu, z którego formują się gwiazdy. Tempo transformacji galaktyk dyskowych w eliptyczne jest szybkie i tak też powiększa się ich populacja. Natomiast mniej jasne galaktyki znacznie wolniej przekraczają obszar zielonej doliny.

Rys. 3. Rozkład koloru galaktyk w czterech zakresach średniego przesunięcia ku czerwieni dla różnych wartości jasności absolutnej [mag] podanych nad krzywymi.

Różne tempo tych przemian zakłóca czystą bimodalność koloru, gdy analizujemy obiekty w szerokim zakresie jasności absolutnej, a sumowanie poszczególnych dystrybucji prowadzi do wyraźnej liczbowej nadwyżki galaktyk w obszarze zielonej doliny. Nie tworzą one spójnego typu morfologicznego, a są konglomeratem galaktyk o różnych jasnościach i stadiach ewolucji. Wśród jasnych obiektów tego rejonu znajdujemy galaktyki dyskowe, natomiast eliptyczne obserwujemy raczej jako obiekty słabsze. Ciągle płonie zielone światło dla badań budowy i ewolucji galaktyk nam bliskich i tych z odległych zakątków Wszechświata.