STÖRST OCH COOLAST AGB-STJÄRNOR

Transkript

1 STÖRST OCH COOLAST AGB-STJÄRNOR Vad händer med solen när den dör? Stjärnor som väger mindre än cirka 8 gånger solens massa kommer efter några miljarder år att bli s.k. Asymptotic Giant Branch-stjärnor (AGB-stjärnor). I sista stadiet innan stjärnan dör blir den, under några miljoner år, flera hundra gånger större och förlorar en stor del av sin massa i en stark stjärnvind. Det bildas då ett expanderande hölje av gas och stoft kring stjärnan. AGBstjärnor blir då universums största och kallaste stjärnor. Slutligen bildas en planetarisk nebulosa och en vit dvärg. De allra flesta stjärnor kommer att dö som AGB-stjärnor, även solen. Ett stort hölje av gas och stoft kring AGB-stjärnan R Scl. Skalet uppstod under en kort tid (ett par hundra år) för cirka 3000 år sedan, när stjärnvinden ökade kraftigt. Källa: H. Olofsson/HST-ACS. Hur forskar vi och varför? Strukturen hos en AGB-stjärna med ett omgivande hölje. AGB-stjärnor är en av de största producenterna av grundämnen i universum. Dessa förs av stjärnvinden ut i den kosmiska rymden. Källa: P. Woitke. På Institutionen för astronomi studerar vi stjärnans vind, höljet runt stjärnan och hur dessa påverkar omgivningen. Forskningen är baserad på observationer tagna med teleskop i t.ex. Sverige, Chile och Australien samt på Hawaii och Kanarieöarna. Dessutom utvecklar vi teoretiska modeller av de omgivande höljena för att kunna bestämma deras fysikaliska och kemiska egenskaper. Gasen och stoftkornen som kastas ut av AGB-stjärnor bildar så småningom nya stjärnor, och en stor del av alla grundämnen som finns i universum kommer från AGB-stjärnor. De är därmed en viktig faktor i den kemiska utvecklingen av galaxer och spelar även en indirekt roll i uppkomsten av liv i universum. Teleskop som vi använder (fr. v.): APEX-teleskopet i Atacama-öknen i Chile (Källa: ESO); NTT i Chile (Källa: ESO); rymdteleskopet Hubble (Källa: NASA/STScI); JCMT på Mauna Kea i Hawaii (Källa: Robin Phillips); Onsala Rymdobservatorium utanför Göteborg (Källa: OSO). Bakgrundbild: AGB-stjärnan CW Leo. Källa: Peter Tuthill (Chatterton Astronomy Department).

2 Institutionen för astronomi vid Stockholms universitet presenterar: ASTROBIOLOGI LIV KRING ANDRA STJÄRNOR? Cirkumstellära skivor - platser där planeter föds Cirkumstellära skivor är skivor av gas och stoft runt stjärnor i vilka planeter bildas. Dessa skivor formas naturligt vid stjärnbildningsprocessen och utvecklas sedan tillsammans med stjärnan. Gas och mikrometerstora stoftkorn kolliderar och bygger efter hand upp planeter, men exakt hur denna process fortskrider är ännu oklart. Genom observationer av strålning från cirkumstellära skivor i olika våglängdsområden kan planetbildningen undersökas. Detta kan hjälpa oss att svara på frågan om hur vanliga planetsystem och jordlika planeter är, samt ge ledtrådar till hur vårt eget solsystem bildades. Detta är en viktig del i astrobiologins målsättning att studera livets ursprung, utveckling och framtid i universum. Illustration av en cirkumstellär stoftskiva. Källa: T. Pyle (SSC), JPL-Caltech, NASA. Hur studerar vi skivorna? På Institutionen för astronomi pågår forskning som kan avslöja hur planeter uppstår och samspelar med cirkumstellära skivor. Vi använder teleskop i Chile, som kan observera mikrovågsstrålning från kalla stoftkorn, långt ut i skivan, samt det egenutvecklade instrumentet PolCor. Det vi letar efter är ringar, knutar eller andra tecken på att det finns en planet i skivan. För att ge en bättre förståelse av hur de strukturer som ses i cirkumstellära skivor uppstår, används detaljerade datormodeller. Dessa simuleringar visar hur närvaron av planeter påverkar skivans struktur och hur strålningen från stjärnan påverkar sammansättningen av gas och stoft i skivan. Bilden visar en datorsimulering av hur en Jupiterliknande planet skapar mönster i skivan. Källa: S.-J. Paardekooper och G. Mellema. Från vänster: Den svenska satelliten Odin har sökt efter syreoch vattenmolekyler som är viktiga för de processer som bildar nya stjärnor i kalla molekylmoln. Även kometer (som är rester efter bildandet av stjärnor) studeras, för att undersöka hur vårt solsystem skapades (Källa: Rymdstyrelsen); Rymdobservatoriet Herschel har som uppgift att bl.a. kartlägga utvecklingen av gas och stoft i cirkumstellära skivor under den tid som planeter bildas (Källa: ESA); Instrumentet PolCor monteras på Nordiska Optiska Teleskopet på La Palma och använder sig av olika tekniker för att blockera ljuset från stjärnan för att filtrera ut det svaga ljus som reflekteras från stoftet i skivan (Källa: H.-G. Florén och G. Olofsson). Bakgrundsbild: Ringstruktur i den cirkumstellära skivan runt stjärnan Fomalhaut. Källa: NASA, ESA, P. Kalas och J. Graham (University of California, Berkeley) och M. Clampin (NASA/GSFC).

3 UNIVERSUMS MYSTISKA MÖRKER Mörk materia Den mörka materien behövs för att hålla kvar stjärnorna i galaxer och galaxerna i stora galaxhopar. Trots att den är osynlig kan vi se effekterna av den, till exempel hur dragningskraften från den mörka materien i en galaxhop böjer av ljuset från avlägsna galaxer när det passerar så kallad gravitationslinsning. Observationer visar att det måste finnas ungefär fem gånger så mycket mörk som vanlig materia. Gravitationen från den mörka materien i galaxhopen Abell 2218 påverkar ljuset från bakomliggande galaxer så att de ser ut som långa ljusbågar. Källa: NASA, Andrew Fruchter och The ERO Team. Mörk energi Den totala dragningskraften från vanlig och mörk materia borde få universums expansion att gå långsammare och långsammare. Observationer av supernovor visar på motsatsen - universum expanderar snabbare och snabbare. Det måste alltså finnas någonting med motsatt dragningskraft i universum. Detta har man gett namnet mörk energi. Observationer tyder på att hela 70% av innehållet i universum utgörs av den. Kanske kan den mörka energin förklaras med att det finns energi även i totalt vakuum? Supernovan 1994D som exploderade i galaxen NGC 4526 används tillsammans med andra supernovor för att bestämma universums expansionshastighet. Källa: NASA, ESA, The Hubble Key Project Team och The High-Z Supernova Search Team. Hur forskar vi om något som är osynligt? På Institutionen för astronomi försöker vi observera hur ljus från supernovor böjs av när det passerar stora galaxhopar. På så sätt kan vi lära oss mer om hur den mörka materien är fördelad i hoparna. Om vi hittar en supernova där ljuset böjs av så mycket att det passerar på båda sidor om galaxhopen, skulle det också kunna lära oss något om hur snabbt universum expanderar. För att undersöka mörk energi jämför vi expansionshastigheten hos universum vid olika tidpunkter genom att observera supernovor på olika avstånd. Mätdatan får vi från teleskop i t.ex. Chile, Kanarieöarna och Hawaii, men också från rymdteleskopet Hubble. Det vi är allra mest intresserade av är att kunna se om den mörka energin ändrar egenskaper med tiden. Det skulle nämligen bevisa att den måste vara något annat än vakuumenergi. Bakgrundsbild: Hubble Ultra Deep Field. Källa: NASA, ESA och R. Thompson (Univ. Arizona).

4 DE FÖRSTA STJÄRNORNA Hur blev universum ett intressant ställe? Det nuvarande universum är ett fascinerande ställe, fullt av stjärnor och galaxer, men det har inte alltid varit så. Någon gång för länge sen bildades de första stjärnorna. En del av strålningen från dessa var mycket energirik ultraviolett strålning som bröt väteatomer i protoner och elektroner - en fysikalisk process som kallas jonisation. Vi vet att denna strålning hade nått överallt i universum för 12,6 miljarder år sedan. Perioden innan, då strålningen spred sig, kallas för återjoniseringen. Från olika observationer tror vi oss veta att universum är 13,7 miljarder år gammalt, så det fanns alltså många stjärnor and galaxer redan efter en miljard år. Några av de tidigaste galaxer som har observerats. De utmarkerade galaxerna fanns redan när universum bara var en miljard år gammalt. Källa: NASA, ESA och HUDF-teamet. Hur kan vi hitta svaret? Bilden visar vilka områden i vår modell som har påverkats av strålningen från de första stjärnorna (orange) och vilka som ännu inte (grön). Färgnyanserna representerar strukturer i materiens fördelning. Källa: Garrelt Mellema. På Institutionen för astronomi försöker vi förstå hur och när återjoniseringen inträffade. Vi kan ännu inte observera de första stjärnorna, eftersom dagens teleskop inte är tillräckligt känsliga. Inom några år kommer vi dock troligen att hitta signaler från epoken när stjärnbildning började, t.ex. med James Webb Space Telescope och radioteleskopet LOFAR. För att kunna tyda dessa observationer utvecklar vi datormodeller som beskriver stjärn- och galaxbildningens historia i en liten del av universum. För detta krävs omfattande beräkningar som kan ta flera veckor att genomföra på kraftfulla datorsystem. I våra modeller fokuserar vi på hur strålningen från de första stjärnorna påverkar materialet mellan galaxerna. Vänster: Radioteleskopet LOFAR byggs av The Netherlands Foundation for Research in Astronomy (ASTRON) tillsammans med europeiska konsortium. Det kommer att bestå av flera antennfält, likt det på bilden, utspridda över nordvästra Europa (Nederländerna, Tyskland, Storbritannien och möjligen Sverige). Det började användas Källa: ASTRON. Höger: James Webb Space Telescope (JWST) är ett gemensamt projekt mellan NASA och ESA och är efterföljaren till Hubble-teleskopet (HST). Det kommer att vara ungefär 2.5 gånger större än HST, vilket gör det sju gånger mer känsligt. Till skillnad från HST kommer JWST huvudsakligen att observera i infrarött. Det förväntas skjutas upp om några år. Källa: NASA.

5 GALAXER - ÖAR I UNIVERSUM Vad är en galax och var kommer de ifrån? En galax är en gigantisk ansamling av stjärnor, gas, stoft och mörk materia, som hålls samman av tyngdkraften. Ett exempel är vår egen galax Vintergatan, som består av bortåt 100 miljarder stjärnor. Det finns en mängd olika typer av galaxer: spiralgalaxer, elliptiska och oregelbundna galaxer, jätte- och dvärggalaxer samt kvasarer. Galaxerna samlar sig i sin tur i gigantiska galaxhopar. Var kommer detta veritabla zoo av galaxer ifrån? Galaxerna tros ha bildats av små materieförtätningar i den ursoppa som skapades i Big Bang. Tyngdkraften fick dessa förtätningar att växa sig större och några 100 miljoner år efter Big Bang tändes galaxerna, när deras första stjärnor bildades. När vi studerar galaxer på olika avstånd, ser vi även tillbaka i tiden och kan lära oss om hur de har uppstått och utvecklats. Denna relativt närbelägna (120 miljoner ljusår bort) galax tror vi liknar de allra första som bildades i universum. Vår forsking tyder på att stjärnbildningen satts igång av en galaxkollision. Källa: G. Östlin, NASA och ESA. Hur forskar vi och varför? På Institutionen för astronomi använder vi de kraftfullaste teleskopen för att studera hur galaxerna utvecklas. Till exempel är vi intresserade av vad som händer när galaxer krockar - något som kan ge upphov till kortvariga, mäktiga utbrott av intensiv stjärnbildning. Vi studerar hur galaxerna rör sig och använder teoretiska modeller för att analysera deras stjärnbildningshistorier. Vi tror att alla stora galaxer successivt har byggts upp genom att mindre galaxer slagit sig samman. Bilden visar det krockande galaxparet NGC4038/4039, allmänt kända som Antenngalaxerna. I krocken komprimeras gasmoln, vilket ger upphov till intensiv stjärnbildning. Källa: B. Whitmore (STScI) och J. Long (ESA/Hubble). Några av de teleskop vi använder (fr. v.): Det nordiska teleskopet på kanarieön La Palma (Källa: Jacob Clasen); VLT på Europeiska sydobservatoriet i Chile - världens i dag största observatorium (Källa: ESO); Rymdteleskopet Hubble med sin unika bildskärpa (Källa: NASA); Rymdteleskopet James Webb (JWST) blir nästa stora rymdteleskop. Det kommer att skickas upp om några år och som kommer att kunna se tillbaka till den tid då de allra första galaxerna bildades i universum (Källa: NASA). Vi är med och bygger ett av instrumenten till JWST. Bakgrundsbild: Hubble Ultra Deep Field. Källa: NASA, ESA och R. Thompson (Univ. Arizona).

6 Institutionen för astronomi Stockholms universitet Vilka är vi? Institutionen för astronomi vid Stockholms universitet, tillika Stockholms observatorium, återfinns i AlbaNova universitetscentrum, Stockholms centrum för fysik, astronomi och bioteknik. Institutionen består av cirka 60 personer, vilket inkluderar forskare, lärare, doktorander och administrativ personal. Vår forskning spänner över många områden inom astronomi, från enskilda stjärnor och deras planetsystem upp till galaxer och universums utveckling. Dessutom bygger vi mätinstrument som används vid stora teleskop i världen. Här finns också den svenska basen för Kungl. Vetenskapsakademiens Institut för solfysik. Utbildning Vid Institutionen för astronomi ges undervisning på alla nivåer. Vi erbjuder utbildningsprogram som leder till en kandidat-, master- eller doktorsexamen i astronomi. Kurserna på kandidatnivå samt masternivå kan även läsas som fristående kurser för dig som tidigare studerat fysik eller astronomi. För dig som bara vill få en introduktion till ämnet, erbjuder vi ett antal orienteringskurser som endast kräver grundläggande behörighet. Vänster: Studenter observerar vid det Nordiska Optiska Teleskopet på La Palma. Källa: Magnus Persson. Höger: AlbaNova-teleskopet. Föredrag och Visningar Institutionens forskare ger regelbundet populärvetenskapliga föredrag om spännande ämnen inom astronomi. Allmänheten har dessutom möjligheten att använda AlbaNova-teleskopet under särskilda visningskvällar. Aktuella evenemang utannonseras på vår webbplats.

7 SUPERNOVOR EXPLODERANDE STJÄRNOR Ljusstarka skådespel Supernovor är ett av de mest energirika fenomen som vi känner till i universum. En supernova kan lysa ungefär lika starkt som alla stjärnor i sin värdgalax (ca 100 miljarder stjärnor) tillsammans. Förutom att vara spektakulära skådespel att observera kan de även lära oss mycket om bildandet av tunga grundämnen, neutronstjärnor och svarta hål, samt om universums utveckling och öde. Den starkt lysande pricken nere till vänster i bilden är en supernova i utkanten av sin värdgalax. Källa: NASA och ESA. Spektakulär död Tunga stjärnor slutar sina liv i supernova-explosioner. I en stjärnas centrum slås lätta ämnen samman till tyngre, så kallad fusion. Då alstras den energi som får stjärnan att lysa. Under sin livstid kan tunga stjärnor slå samman allt tyngre ämnen och bilda kol, syre, kisel, kalcium osv. hela vägen upp till järn. När bränslet tar slut exploderar stjärnan i en supernova och lämnar efter sig ett expanderande moln av stjärngas, berikad på de nybildade tyngre grundämnena. Gasen rör sig snabbt utåt och kan kollidera med den omkringliggande gasen. Vid explosionen bildas det även en neutronstjärna eller ett svart hål. År 1054 sågs en ny stjärna, en gäststjärna, i Oxens stjärnbild av bl.a. kinesiska astronomer. Idag vet vi att det var en supernova som exploderade och lyste så starkt att den var synlig för blotta ögat i två år. Idag ser vi ett vackert expanderande moln av stjärngas, den s.k. Krabbnebulosan, och i dess centrum en neutronstjärna som roterar 30 varv per sekund! Källa: ESO. SN1987A exploderade 1987 i vår satellitgalax Stora Magellanska Molnet. Det var den första supernovan man sett med blotta ögat på nästan 400 år. I centrum av bilden kan man se den svagt lysande gasen som kastades ut vid själva explosionen. Det omgivande pärlhalsbandet är resultatet av kollisionen mellan supernovan och gas som stjärnan förlorade ca år innan den exploderade. Källa: NASA, ESA, P. Challis och R. Kirshner. Hur forskar vi? Vid Institutionen för astronomi bedrivs forskning om supernovor och de rester som de lämnar efter sig genom observationer, med bl.a. teleskopen HST och VLT, och med hjälp av datormodeller. Vi analyserar den utkastade gasen och dess växelverkan med den omgivande gasen, samt även de nybildade neutronstjärnorna. Dessutom utvecklar vi modeller för att undersöka hur bildningstakten för olika typer av supernovor har ändrats med universums utveckling, samt leder delar av ett stort projekt med målet att upptäcka avlägsna supernovor. Bakgrundsbild: Supernovaresten Cassiopeia A. Källa: NASA/CXC/SOA/STScI/JPL-Caltech.

8 SOLEN VÅR EGEN STJÄRNA En vanlig men för oss speciell stjärna Stjärnor av solens typ är vanliga i universum. För astronomerna är det däremot den enda stjärnan som är tillräckligt nära för att man ska kunna studera den i detalj. I solens centrum är gasen 15 miljoner grader varm, vilket gör att vätekärnor slås ihop till helium och frigör energi. Värmen strömmar från solens inre ut till ytan och vidare ut i rymden. Den sista biten upp till ytan transporteras energin med konvektion - varm gas strömmar uppåt och avkyld gas faller ner igen. Eftersom gasen är ett elektriskt ledande plasma, alstrar den magnetfält som sedan växelverkar tillbaka med gasen. Där magnetfältet är som starkast ger detta upphov till storskaliga fenomen som solfläckar och enorma utkast av gas från solens yta. Även på mindre skalor sker mycket intressant som vi vill studera, vilket ställer höga krav på teleskop och instrument. Ett par exempel är facklorna vid kanten av solskivan och detaljerna i solfläckarna. Övre: Solfläckar uppkommer där ett koncentrerat knippe magnetfält bryter igenom solytan. De är mörkare än omgivningen, eftersom magnetfältet hindrar den uppvällande heta gasen. Nedre: Nära kanten av solskivan ser man cellerna av uppvällande gas lite från sidan och det visar sig att man då ser in till hetare och därför ljusare gas i områden med starkare magnetfält. Det är detta vi ser som facklor. Källa: Göran Scharmer (KVA). Det svenska solteleskopet Sverige har det bästa solteleskopet i världen när det gäller att urskilja de allra finaste detaljerna. Teleskopet byggdes och drivs av Kungl. Vetenskapsakademiens Institut för solfysik och står 2400 meter över havet på en utslocknad vulkan på Kanarieön La Palma. Där är förhållandena extra bra, med många soltimmar och ofta mycket stabil atmosfär. För närvarande är vi speciellt intresserade av hur solfläckarna fungerar, men teleskopet används också för att studera många andra solfenomen - både av oss själva och av våra många internationella besökare. Ett solteleskop ser lite annorlunda ut än teleskop som ska användas på natten. Det beror på att solljuset innehåller så mycket värme. Uppvärmd luft ger sämre bilder, ungefär som när man kan se att det dallrar ovanför en uppvärmd vägbana. Därför har vi ingen kupol, utan luften får strömma fritt runt teleskopet. Bakgrundsbild: Svenska 1-m solteleskopet (SST) på La Palma. Källa: Göran Scharmer (KVA).

9 SVARTA HÅL ATT VERKA MEN INTE SYNAS Vad är svarta hål och hur kan man hitta dem? Om materia pressas samman tillräckligt mycket, kommer gravitationen bli så stark att varken materia eller ljus kan ta sig loss. Detta sker t.ex. när stora stjärnor dör. Resultatet kallas ett svart hål, eftersom vi inte kan få någon information om vad som händer inuti. För att detta ska ske måste dock materien vara enormt tätt sammanpressad: ett svart hål med samma massa som Jorden skulle ha en diameter på 6 cm! Eftersom ljus inte kan komma ut ur ett svart hål, går det inte att observera dem direkt. Istället får man försöka upptäcka det svarta hålets påverkan på dess omgivning. Ett svart hål har massa, och kan därför påverka sin omgivning genom gravitationen. Exempelvis kommer gas som faller in mot ett svart hål att hettas upp och avge strålning. En illustration av hur en s.k. röntgenbinär kan tänkas se ut. En vanlig stjärna och ett kompakt objekt (t.ex. ett svart hål) kretsar kring varandra. Gas från stjärnan kan då falla in mot det kompakta objektet och bildar på vägen in en skiva. Här blir gasen så het att den skickar ut röntgenstrålning. Källa: ESA, NASA och F. Mirabel. Supermassiva svarta hål När vi studerar stjärnornas rörelse i centrum av Vintergatan ser vi att de rör sig i banor kring någonting mörk och kompakt, med enorm massa - flera miljoner gånger större än solens! Den enda lösning vi känner till som passar beskrivningen är ett svart hål. Eftersom det är så tungt kallas det supermassivt. Sådana supermassiva svarta hål tror vi även ligger bakom den starka röntgenstrålningen som skickas ut från vissa galaxers centrum. En bild av galaxen NGC 1365 som den ser ut i synligt ljus. Den lilla bilden visar hur galaxens centrum ser ut i röntgenområdet. Den starkt lysande punkten tyder på en mycket massiv men kompakt röntgenkälla troligtvis ett supermassivt svart hål som hettar upp infallande gas. Källa: ESO/VLT (optiskt) och NASA/CXC/CfA/INAF/Risaliti (röntgen). Hur forskar vi och varför? På Institutionen för astronomi försöker vi studera omgivningen alldeles omkring svarta hål, genom att mäta den röntgenstrålning som skickas ut av gas på väg in i dem. Eftersom Jordens atmosfär skyddar oss från kosmisk röntgenstrålning skickar man upp satelliter för att kunna mäta den. Med satelliternas hjälp kan vi mäta hur stark strålningen är vid olika energier och hur den varierar med tiden. Vi försöker också ta reda på vad som orsakar de snabba tidsvariationer man kan mäta - röntgenstrålningen varierar på tidsskalor kortare än en sekund! Eftersom gravitationen är väldigt stark i närheten av det svarta hålet letar vi även efter effekter som kan pröva förutsägelserna från Einsteins allmänna relativitetsteori. Bakgrundsbild: Jetstråle av partiklar från det svarta hålet i centret av galaxen M87. Källa: Tod R. Lauer, Sandra M. Faber/NASA.