Vintergatan. Universums byggnad, 8 april 2008 Albert Nummelin

Transkript

1 Vintergatan Universums byggnad, 8 april 2008 Albert Nummelin 1

2 Bilder av universum: William Herschel ( ) avplattat universum; inga andra galaxer kända solen nära centrum Jacobus Kapteyn ( ) moderniserad variant av Herschels modell, baserad på fotografiska data (1922) 2

3 Harlow Shapley ( ) Observerade att klotformiga stjärnhopar ligger symmetriskt fördelade över och under vintergatsbandet är koncentrerade i riktning mot stjärnbilden Sagittarius Slutsatser: 1. de klotformiga stjärnhoparna rör sig kring Vintergatans centrum 2. solen befinner sig ljå från centrum av ljå skivformig galax (överskattat) Debatten 1920 mellan Heber Curtis (Lick Observatory) och Harlow Shapley (Mt. Wilson) Curtis: 1. Vintergatan är ljå i diameter 2. Spiralnebulosorna är andra galaxer utanför Vintergatan (trodde även Knut Lundmark) Shapley: 1. Vintergatan är ljå i diameter 2. Spiralnebulosorna finns inom Vintergatan Debatten fick sin upplösning 1924 när Edwin Hubble m h a Mt. Wilson 2.5-m teleskopet mätte avståndet till M31 (andromedagalaxen) med hjälp av en typ av variabla stjärnor (Cepheider) till 25 ggr längre än mest avlägsna stjärnan avstånden överskattades generellt före 1930 eftersom det interstellära stoftets existens var okänd 3

4 Dagens bild av vår hemgalax Vintergatan: vår hemgalax; ett system av miljarder stjärnor samt gas och stoft, vilket solen tillhör. Totalt solmassor Uppbyggnad: tunn skiva (2000 ljå x ljå) med central utbuktning (6000 ljå x ljå) och spiralarmar sfärisk halo ( ljå diam.) bestående av 200 klotformiga stjärnhopar och enstaka mycket gamla stjärnor någon form av materia som ännu inte observerats direkt ( mörk materia ) 4

5 de klotformiga stjärnhoparna indikerar Vintergatans dynamiska centrum (Wikipedia) 5

6 Vintergatans bildande? Klassificering av Vintergatans stjärnor (Walter Baade, 1943) Kriterier för klassifikation: ålder, rörelse, kemisk sammansättning oorganiserade stjärnrörelser nybildade stjärnor bildas i skivan; cirkulära banor ursprungsstjärnorna kvar i halon Extrempopulation II: de äldsta stjärnorna (12 15x10 9 år) mkt liten andel (0.1%) tyngre ämnen än helium ( metaller ) återfinns företrädesvis i halon i klotformiga stjärnhopar Mellanpopulation II: inte fullt så gamla och metallfattiga dominerar ljuset från vintergatsskivans utbuktning Skivpopulationen: medelålders (2 12x10 9 år); solen 1 2% tyngre ämnen Mellanpopulation I och Extrempopulation I: yngre stjärnor (0 2x10 9 år) av typ O/B/A 2 3% tyngre ämnen finns i spiralarmarna Population III: de allra första stjärnorna; hypotetisk grupp 6

7 Spiralarmar Synlig i HII-områden (stjärnbildningsregioner), öppna stjärnhopar, OBstjärnor täthetsvåg som bromsar upp och förtätar gasen förtätning av gasen underlättar stjärnbildning armarna är ett självunderhållande (stabilt) mönster OB-stjärnor hinner slockna innan de har rört sig ut ur spiralarmen där de fötts -> heta blå stjärnor dominerar ljuset från spiralarmarna 1. stoftstråk, förtätad gas (gasen hinner upp spiralarmen vid dess innerkant och bromsas ned) 2. HII-områden, nyfödda OB-stjärnor joniserar sitt födelsemoln 3. OB-stjärnor vars stjärnvind har blåst bort gasen (spiralarmens ytterkant) sekventiell ( triggad ) stjärnbildning möjlig 7

8 Stjärnornas banor halo: banor med slumpmässig excentricitet, lutning, avstånd disk: cirkulära banor, organiserade utbuktning: mellanting Rotationskurva: hastighet som funktion av radien kurvans utseende beror på massfördelningen! solsystemet stel kropp Vintergatan 8

9 Vintergatans rotation: problem Vintergatans rotationskurva är oväntat flack Den synliga (strålande) materian är inte tillräcklig för att förklara de höga hastigheter stjärnorna uppvisar i sin bana runt galaxen -> inför mörk materia i form av en (sfärisk) halo Mörk materia ser ut att utgöra 90% av galaxens massa Liknande gäller de flesta andra galaxer! mörk materia manifesterar sig på flera andra sätt (t ex galaxhopars rörelser) Problem: stoft absorberar visuellt ljus och förhindrar observationer i Vintergatans plan 9

10 Interstellärt stoft Robert Trűmpler upptäckte 1930 genom att observera öppna stjärnhopar att ljus som passerar genom interstellärt stoft genomgår 1. dämpning (blir svagare) 2. rödfärgning ( reddening ) kortvågigt (blått) ljus sprids effektivare än långvågigt (rött) -> det vita ljuset tappar mer av det blå än av det röda egentligen: förlust av blått ( de-blueing ) Barnard 68 (ESO) 10

11 Bättre: infrarött ljus (1 4µ µm) Bättre bild av stjärnfördelningen i vår egen galax (COBE/DIRBE) 11

12 Gasens fördelning i Vintergatan koronagas 10 6 K (mkt het) atomer/cm 3 atomär gas K 1 10 atomer/cm 3 joniserad gas (HII-områden) 10 4 K kring nybildade ljusstarka stjärnor molekylär gas 10 K H 2 molekyler/cm 3 Stjärnbildning sker uteslutande i den molekylära gasen 12

13 Radiovågor: ett sätt att nästan obehindrat kartlägga Vintergatans struktur kall atomär vätgas kan observeras direkt med radiostrålning vid 21 cm våglängd (1420 MHz) > vid denna våglängd ingen stoftabsorption! dess uppkomst: väteatomens proton och elektron ändrar spintillstånd från parallell till antiparallell (mkt långsam process; i genomsnitt 10 7 år innan spinändring) intensiteten hos spektrallinjen vid 21 cm beror på totala gasmängden i teleskopets riktning förutspådd 1944 av Hendrik van de Hulst, observerad 1951 av Harold Ewen & Edward Purcell 21-cm HI spektrum Vintergatans spiralarmsstruktur: 7: yttre armen 8: Perseusarmen 11: Orionarmen 12: solens position yttre Perseus- lokala (Orion-) armen armen armen -85 km/s -50 km/s 0 km/s Hastighet relativt solens omgivning (km/s) 13

14 21-cm radiostrålning (neutral atomär vätgas, HI) visuellt ljus (joniserad vätgas, HII) Helixnebulosan, NGC 7293 (Rodriguez, Goss & Williams 2002) 14

15 15

16 Observationer av molekylär interstellär gas Består mest av H 2 (och He!); ingen atomär vätgas En egenhet hos H 2 - molekylen: endast mycket svag radiostrålning och bara under speciella omständigheter (t ex uppvärmd gas i chockfronter) CO: näst vanligaste ämnet i molekylmoln (1/10000 av H 2 ) > använd CO som spårare av den svårobserverade H 2 G : ett molekylmoln uppvärmt av stjärnor under bildande Andra kemiska föreningar förekommer i mkt små koncentrationer, mindre än 1/100 av CO 16

17 Två stjärnbildningsområden olika kemi W33A: nybildad stjärna som omges av kall gas och stoft, sitt födelsemoln IR-ljus från stjärnan filtreras genom den omgivande gasen, vars ämnen ger upphov till absorptionslinjer 17

18 kända interstellära molekylföreningar (omkring 125 ämnen) H 2 CH CH + NH OH C 2 CN CO SiC CP CS NO NS SO HCl NaCl KCl AlCl AlF PN SiN SiO SiS CO + SO + HF H + 3 N 2 O NH 2 H 2 O H 2 S HCN HNC C 2 H C 2 O CH 2 HCO HCO + HCS + HOC + HNO N 2 H + c-c 3 H C 3 H C 3 N C 3 O C 3 S CH 2 D + HCCN HCNH + HNCS HNCO HOCO + H 2 CN NH 3 H 3 O + H 2 CO C 2 H 2 c-sic 3 C 5 C 4 H C 4 Si C 3 H 2 c-c 3 H 2 CH 2 CN HC 2 NC H 2 CNH H 2 C 2 O H 2 NCN HNC 3 H 2 COH + C 5 H C 5 0 C 2 H 4 CH 3 NC CH 3 OH CH 3 SH HC 3 NH + HC 2 CHO H 2 C 4 C 5 N C SiC 2 SO 2 CO 2 OCS MGNC MgCN NaCN C 6 H CH 2 CHCN CH 3 C 2 H HC 5 N HCOCH 3 NH 2 CH 3 c-c 2 H 4 O CH 2 CHOH CH 3 C 3 N CH 3 COOH C 7 H H 2 C 6 CH 2 OHCHO CH 2 CHCHO CH 3C 4H CH 3 CH 2 CN (CH 3 ) 2 0 CH 3 CH 2 0H HC 7 N C 8 H CH 3 C 5 N? (CH 3 ) 2 CO NH 2 CH 2 COOH?? CH 3 CH 2 CHO HC 9 N C 6 H 6? HC 11 N Resumé: grundämnenas ursprung 1. I Big Bang bildades normalt väte 1 H (75% av materiemassan), normalt helium 4 He (25%) och mycket lite 3 He, 2 H (deuterium, tungt väte ) och 7 Li 2. grundämnen tyngre än He upp till 56 Fe bildas genom fusion i stjärnornas inre 3. tyngre grundämnen bildas genom neutroninfångning antingen i massiva stjärnor ( s-processen, upp till 209 Bi ) eller i supernovor ( r-processen, inklusive de tyngsta radioaktiva ämnena) Boktips Big bang: allt du behöver veta om universums uppkomst och lite till av Simon Singh 18

19 Kosmisk materialåtervinning 1: supernovor 19

20 20

21 Kosmisk materialåtervinning 2: Stjärnvind från röda jättestjärnor Normaltunga Normaltunga stjärnor bantar bort hälften av sin massa på huvudserien under sin dödskamp som röd jätte Radiostrålning från supernovarest Cas A (10 ljå diameter) 21

22 Sammanfattning: Materians kretslopp 22

23 Vintergatans centrum Extremt tätt på stjärnor, neutronstjärnor, och supernovarester Helt osynligt vid visuella våglängder p g a stoftabsorption, men synligt i radio, IR, röntgen, gamma 23

24 Sgr A * ett supermassivt svart hål? I galaxens centrum finns en ovanlig källa till radio- och röntgenstrålning, Sgr A* Infrarödobservationer av stjärnor runt Sgr A*:s position visar på mkt snabba rörelser -> 10 6 solmassor inom ett område mindre än 10 A.U. -> supermassivt svart hål? 24