förut sett från någon av dessa spiralnebulosor. Idag heter galaxen NGC 1068 och det är den första aktiva galaxen som någonsin upptäcktes. Förmodligen

Transkript

1 När det fjärran ljuset från en spirande galax, full av unga tindrande stjärnor, stoft och gas, äntligen nått oss kan miljardtals år redan ha gått miljardtals år sedan ljuspartiklarna började sin färd mot oss. Galaxer långt bort från oss får vänta länge innan deras budskap når oss. De bilder på dessa galaxer vi idag förnimmer i våra teleskop är inget annat än kvarglömda minnen av sedan länge avfalnade objekt, frånvarande och dunkla. I de bleka avtryck från de mest avlägsna galaxer, speglas så återstoden av tidernas begynnelse; önskar man iaktta det unga Universum bör man betrakta de galaxer som befinner sig långt bort från oss, och så långt bort man bara kan. Ju klarare ljuset från en galax är, desto mer troligt är det att vi kan uppfatta den på märkbara avstånd. Speciellt ljusstarka galaxer blir så eftersträvansvärda i sitt syfte. En betydande del av galaxers ljus kommer från stjärnor men inte allt ljus och inte i alla galaxer. Det existerar nämligen en klass av galaxer som utsänder mer ljus än andra. Denna klass går under namnet aktiva galaxer. När Universum var ungt och blott två miljarder år gammalt härskade de mäktigaste av alla aktiva galaxer, kvasarerna, över alla andra galaxer, storslagna i sin ljusstyrka och överlägsna i antal. Inga andra ting i kosmos har någonsin kunnat mäta sig med kvasarerna under kulmen av deras herravälde, och inga andra ting har gått ett så oförståeligt öde, en så obegriplig död till mötes. Emellanåt kan det sammanlagda ljuset från alla glödande stjärnor i tusentals galaxer liknande vår egen Vintergata uppmäta sig med ljuset från en kvasar. Men ljuset i kvasaren kommer inte från stjärnor. Det kommer från ett litet område i galaxens mittersta centrum, ett oansenligt område knappt större än vårt eget solsystem och ofta så bländande att resten av galaxen överglänses. Kvasarers och aktiva galaxers inre uppbyggnad och liv är således en av astronomins märkligaste gåtor. Historien börjar 1908, när de första aktiva galaxerna upptäcktes. Edward Fath och Vesto Slipher hade på ett observatorium i Kalifornien funnit vad de benämnde som en extragalaktisk nebulosa. På den tiden visste man ännu inte att rymden ständigt utvidgas. Stoftfyllda stjärnsystem kallades för extragalaktiska nebulosor. Fath och Slipher såg på fotot ett objekt med välvda spiralarmar i medsols riktning, där stoft och gas rör sig och stjärnor breder ut sig idag vet vi att det är en typisk spiralgalax. Men i mitten av den extragalaktiska nebulosan fanns någonting mer. En liten, starkt lysande kärna, där varken stoft eller stjärnor syntes. De beslöt sig även för att studera galaxens elektromagnetiska spektrum. Många spiralnebulosor brukade visa absorptionslinjer, tack vare alla stjärnor som finns i galaxerna. Men det gjorde inte denna nebulosa; nebulosan hade mycket starka emissionslinjer i sitt spektrum. Där fanns sex stycken framträdande emissionslinjer och sådana hade man aldrig

2 förut sett från någon av dessa spiralnebulosor. Idag heter galaxen NGC 1068 och det är den första aktiva galaxen som någonsin upptäcktes. Förmodligen är galaxen även en av de bäst studerade. Åren gick. Under tiden hann Vesto Slipher undersöka galaxers rödförskjutningar med avståndet från Jorden och presentera de första observationella beläggen för Universums expansion. (Denna ära brukar dock tillskrivas Edwin Hubble som tio år senare befäste argumenten med Sliphers data.) Runt 1943 började en annan astronom att intressera sig för aktiva galaxer. Carl Seyfert demonstrerade för omvärlden att det fanns än fler galaxer vars elektromagnetiska spektra hade samma egenskaper som NGC Dessa kom, inte oväntat, att kallas för Seyfertgalaxer. Så småningom upptäcktes fler aktiva galaxer som även hade radiojetstrålar och radiolober skjutandes från polerna; man fann massiva monster vars jetstrålar ibland kunde sträcka sig miljontals ljusår. När den första kvasaren upptäcktes av Maarten Schmidt på 1960 talet, trodde han först att det var en konstig stjärna han hittat. Fotot han höll i sin hand visade ett objekt som var så lysande men punktformigt just som en stjärna. Men konstigt nog, hade den där stjärnan först en märkbar rödförskjutning, precis som alla objekt miljontals ljusår från oss, och ett spektrum liknandes det typiska för många Seyfertgalaxer. Hur kunde man se en enskild stjärna så långt bort? Och hur kunde en stjärna ha samma spektrum som en galax? Snart fick det punktforminga objektet namnet "Quasi Stellar Object" och QUAsi StellAr Radio Source. Med ett större teleskop kunde man snart se även resten av kvasaren och den helt alldagliga värdgalaxen inom vilken den så starkt lysande kärnan befann sig. Snart fann man även fler typer av aktiva galaxer. Vissa sände ut radiostrålning, andra kunde variera sin ljusstyrka bara på några timmar. De aktiva galaxerna kom att bjuda på fler överraskningar än mångfald i spektra. De kunde nå en otrolig ljusstyrka på höga rödförskjutningar (z ~ 2 3) samt tycktes visa fenomen som först såg ut som överljushastigheter mellan två radiojetstrålar. Vidare, trodde sig forskare ha upptäckt en slags periodicitet i galaxernas rödförskjutningar. Men det allra mest påfallande var upptäckten av möjliga anomalier i rödförskjutningarna hos objekten i ett galaxpar; två aktiva galaxer som tydligt utbytte gas visade på två helt olika rödförskjutningar och måste därmed befinna sig på helt olika avstånd från Jorden. Det gjorde att man även ifrågasatte huruvida aktiva galaxers rödförskjutning verkligen återspeglade Universums expansion och om denna rödförskjutning egentligen inte var någon slags inneboende rödförskjutning, unik för aktiva galaxer. Sakta började mysterierna lösas en efter en: de förmodade överljushastigheter kunde förklaras med relativistiskt strålande och återigen var Einsteins relativitetsteori trygg. Rödförskjutningsperiodiciteterna å sin sida kunde lätt avfärdas efter att man upptäckte att de uppkom till följden av ett detektionsfel snarare än någonting fysikaliskt. Och rödförskjutningsanomalierna kunde aldrig hittas för fler än några enstaka par som exempelvis NGC 7603, något som tydde på att det här förmodligen bara var en projektionseffekt.

3 Spektra avslöjar åtskilliga släkten av aktiva galaxkärnor. Somliga strålar i radiovåglängder och har framträdande flöden från kärnan. Seyfertgalaxerna är enklare: de visar inga sådana flöden eller jetstrålar och är betydligt mer blygsamma än kvasarerna i sin skepnad. Blasarer kan däremot blända med sina oförutsägbara växlingar i sitt ljussken. De tros vara kvasarer med jetstrålar och vars stråle man som observatör råkar kika rakt in i. Trots skiljaktigheterna som förekommer mellan olika klasser, förenas de alla av de spektra som alla uppvisar skarpa vätelinjer och förbjudna emissionslinjer från bland annat joniserat syre och kväve. Jonisationen kan uppstå antingen från att energirika ljuspartiklar slår bort elektroner i gasatomerna eller att atomerna förlorar elektroner i häftiga kollisioner. I praktiken medför det att endera måste en intensiv och högenergetisk ljuskälla gömma sig i hjärtat av dessa kosmiska vidunder eller att kraftiga chockvågor från våldsamma processer i gasen måste vålla jonisationen. På 1980 talet florerade alla tänkbara, vilda idéer om vad som finns i mittpunkten av en aktiv galaxkärna. Kunde möjligen maskhål, dessa hypotetiska tidsmaskiner från relativitetsteorin där dvälja, gömda i galaxkärnans innersta väsen? Eller kunde möjligen kolossala stjärnor finnas där, tyngre än teorierna anat och alltför massiva för att leva längre än ett övergående kosmisk ögonblick, för att strax efter födseln fullborda sina liv i explosiva supernovor? Eller möjligen många, många unga stjärnor, växandes stup i kvarten? Teorierna kring galaxkärnorna blomstrade och snart blev astronomerna varse om att oavsett vad som fanns i centrum måste det nämligen uppfylla vissa förväntade egenskaper. Först måste tinget jonisera den omgivande gasen och för var tionde aktiv galaxkärna måste det även frambringa radiojetstrålar. De flesta aktiva galaxkärnor faller inom två huvudklasser: de vars vätelinjer är breda (typ 1) och de som har smala vätelinjer (typ 2), och tinget måste förklara båda huvudklassernas existens. Nu började de teorier som tidigare frodats även börja mattas av. Långsamt började observationer stapla sig på varandra: vad som än fanns i kärnan av aktiva galaxer band den närliggande gasen gravitationellt till sig. Något riktigt, utomordentligt tungt måste finnas i galaxens mitt. I centrum av vår Vintergata, i den kompakta radiokällan Sagittarius A*, rör stjärnor sig kring en medelpunkt där ingenting syns i tomrummet. Användandes av observationer i infrarött har man följt stjärnan S2 i dess elliptiska omloppsbana runt den tomma punkten kring vilken stjärnorna kretsar. Astronomer har kunnat bestämma massan av det riktigt tunga, osynliga objektet till ungefär tre till fyra miljoner solmassor, alla lokaliserade inom 17 ljustimmars radie. Vad som tycks ha upptäckts är ett supermassivt svart hål i Vintergatans centrum. I en aktiv galax är det supermassiva svarta hålet inte bara mycket tyngre (kanske tusen gånger mer massivt än i Vintergatan) utan även mer aktivt. Den mest utforskade hypotesen idag är att ansamling av stora mängder het gas kring det supermassiva svarta hålet är vad som driver den intensiva produktionen av ljus i aktiva galaxkärnor. Ansamlingen kan ske antingen genom att en gasskiva bildas kring det svarta hålet, men även genom sfäriskt inflöde. Beroende på gasflödets riktning och geometri, kan olika gastillstånd erhållas och därmed även olika sätt att

4 producera själva ljuset. Utgår man från att jonisationen i omgivande gas sker genom att energirika fotoner från gasansamlingen slår ut elektronerna i gasatomerna, måste man undra varför man bara ser breda vätelinjer i galaxer av typ 1 men inte i typ 2 galaxer. En möjlig forklaring dök upp i mitten av attiotalet. Den unge astronomen Robert Antonucci och hans handledare Joseph Miller hade studerat den spiralgalaxen NGC 1068 den första aktiva galaxen som någonsin upptäcktes men inte genom observationer i vanligt ljus. Vad de nu gjorde, var att de studerade galaxkarnan med polarimetri. Polarimetri ar en speciellt kraftfull metod da det bland annat kan avsloja ljus som spridits mot stoft i forgrunden. Nar Antonucci och Miller nu studerade NGC 1068, en typisk typ 2 galax, sag de plotsligt ett ljusspektrum typiskt for typ 1 galaxer. Detta kom mycket ovantat. Kunde det vara så att alla typ 2 galaxer är helt enkelt vanliga typ 1 kärnor som fördunklats av stoft i vägen för ljuset? Snart grundades unifikationsteorin för aktiva galaxer, som än idag tros gälla för aktiva galaxkärnor. Den enklaste unifikationsteorin vilar på ett enkelt geometriskt koncept där betraktelsevinkeln är den egenskap som används för att skilja på typ 1 galaxer och typ 2 galaxer. Teorin utgår från att alla aktiva galaxkärnor har en ansamlingsskiva i mitten som vidare omges av het gas. Råkar man titta rakt in i själva ansamlingsskivan eller gasen kring den, kan man se täta gasmoln som snabbt roterar. I praktiken skulle detta synas som en breddning av vätelinjerna i spektrumet. Men skulle ljuset från samma ansamlingsskiva istället färdas genom tätliggande stoft och spridas på vägen, kommer det att förlora energi och få längre våglängd. På det här sättet kan ultraviolett ljus från skivan omvandlas till infrarött. Kring ansamlingsskivan tros en stofttorus finnas packad och det infraröda ljuset blir torusens viktigaste signatur. Tittar man rakt in i ansamlingsskivan, ser man en typ 1 kärna med breddning av vätelinjer. Råkar man istället observera kärnan från stofttorusens sida ser man det spridda ljuset och erhåller spektrumet för en typ 2 kärna med smala vätelinjer. Den generella unifikationsteorin förutspår därmed att alla typ 2 galaxer måste visa tecken på en typ 1 kärna om de observeras med polariserat ljus någonting som dessvärre ännu inte kunnat bekräftas. Att testa huruvida unifikationsteorin är rätt eller inte, innebär många praktiska svårigheter. För att kunna säga någonting alls om populationen av aktiva galaxkärnor, måste man jobba med mängder av objekt och därmed statistiska studier. Samtidigt är det svårt att hantera olika tekniska begränsningar som påverkar observationsmöjligheterna för galaxkärnorna av typ 1 och 2. I en studie vi nyligen publicerade valde vi att, istallet for att undersoka de aktiva galaxerna sjalva, titta pa omgivande granngalaxer. Idén var mycket enkel: stämmer den enklaste geometriska unifikationsmodellen där galaxkärnor av typ 1 och typ 2 är samma slags objekt sedda från olika vinklar, måste dessa galaxer även ha samma slags granngalaxer. Vi använde världens största galaxdatabas (Sloan Digital Sky Survey) som förfogar över miljontals spektra och bilder av galaxer för att leta efter nara grannar till typ 1 och typ 2 galaxer.

5 Vi fann tusentals granngalaxer. Vi studerade dem. Och vår studie visar tydligt att granngalaxerna är helt olika. typ 2 grannar har visat sig vara mer stjärnbildande och stoftrika än typ 1 grannar. Många olika tester kördes för att undersöka huruvida detta kunde vara något slags detektionsfel, men alla resultat fortsatte ge samma utslag om och om igen. Den enklaste geometriska unifikationsteorin ser ut att vara felaktig. Vidare, verkar kopplingen mellan närvaron av granngalaxer och formen på själva värdgalaxen i vilken galaxkärnan observerats, skilja sig markant för typ 1 och typ 2 kärnor. Våra resultat tyder på att en typ 2 kärna kan omvandlas till typ 1 genom sammansmältning med granngalaxer och att de två klasserna är besläktade genom kollisioner med omgivande galaxer. Nu må man fråga sig: kan det fortfarande vara så att centralkällan i båda typer av objekt är densamma men att stoftinnehållet styrs av kollisioner? I sådant fall kan unifikationsteorin fortfarande stämma till en viss del, där stofttorusen skiljer sig i sin utsträckning. Men det kan även helt enkelt finnas olika fysikaliska processer i grunden för dessa två klassers aktivitet i kärnan. Det är inte lätt att förstå aktiva galaxkärnor. Många mekanismer kan äga rum. Förutom gravitationen från det allt tyngre supermassiva svarta hålet, bör ansamlingshastigheten hos gasen spela stor roll för hur starkt ljus som bildas. Sedan kan strålningstryck, olika vindar från ansamlingsskivan, jetstrålar och olika slags chocker påverka inte bara själva kärnan, utan även gasfördelningen i galaxen och därmed stjärnbildningen. Beroende på vilka mekanismer som är viktigast för att först föda och sedan göda en kvasar, kan hela dess liv och utveckling påverkas. Försvinner bränslet, avtar ljusstyrkan. Eftersom vi inte med säkerhet vet vad som pågår i de aktiva galaxkärnorna, vet vi inte heller hur de bildas. Drömmen för en astronom vore att kunna observera bildandet av en kvasar i realtid och följa varje steg från hur kvasaren föds till dess att den dör, ty spekulationerna kring aktiva galaxkärnor har varit alldeles för många. På 1960 talet föreslog den sovjetiske astronomen Viktor Ambartsumian att kvasarerna är alldeles nyfödda galaxer, ett slags kompakta objekt som föds i kärnan hos en annan galax för att sedan expandera, och de par av galaxer man ser skulle vara galaxer på väg att dela på sig i den här processen; en födselprocess påminnandes om den vid celldelning. Med ökad kunskap om strukturbildning i kosmos, vet vi idag att gravitation är den styrande kraften och att våldsamma kollisioner mellan galaxer där gas snabbt ansamlas i centrum är den essentiella ingrediensen inte omöjligt den viktigaste ingrediensen för att bilda den aktiva kärnan som efteråt när sig på att kannibalisera de närliggande dvärggalaxerna. Studier av sammansmältande galaxpar visar ökad aktivitet i galaxkärnorna. Samtidigt är det svårt att verkligen bekräfta det även intensiv stjärnbildning kan ge upphov till liknande spektrala signaturer, speciellt som stjärnbildningen tycks öka i samma händelser. Hypotesen passar särskilt väl med observationer av det höga antal av kvasarer vid rödförskjutningen z ~ 2 3 där även stjärnbildningen är på topp, när vårt expanderande Universum var mindre i storlek, galaxer befann sig närmare varandra och kollisionssannolikheten därför var mycket högre. De aktiva galaxerna är dessutom inte ensamma i rymden stora galaxhopar som skoningslöst sliter stjärnor och gas ur åtföljande galaxer är ett ständigt hot mot deras mognad. Tillvaron

6 bland andra galaxer kommer att påverka de aktiva galaxkärnornas utveckling och i sin tur kan de aktiva galaxerna påverka sin omgivning. Kvasarers och andra aktiva galaxers liv och död fortsätter att gäcka astronomer. Om det är en kvasars öde att efter döden pånyttfödas som en vanlig, elliptisk galax det vet vi inte. Troligen, för vart kan de annars alla ha tagit vägen? Våra observationer svärmar av kvasarer från svunna tider, men inte en enda finns kvar i vår närhet. Vi kommer aldrig att kunna följa en enskild kvasars utveckling genom livet, från dess födsel till dess död. Vår tid som människor är endast begränsad till ett ynka andetag i en galaxs liv, om ens det. Förhoppningen ligger inom att leta efter statistiska mönster bland stora antal objekt, mönster som aldrig annars skulle märkas. Tillsammans med högupplösta studier vid gigantiska teleskop, kanske vi endast då kan gissa vad som finns i centrum av dessa monster. Och innerligt hoppas att skuggan av ett litet, osynligt svart hål en dag kan lysa upp vägen till förståelsen av Universums mest mytomspunna objekt.