Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 10, 2014-10-20 Bengt Edvardsson Innehåll: Galaxer Klassifikation Egenskaper hos olika galaxklasser Aktiva galaxer Kvasarer Blazarer Seyfertgalaxer Radigalaxer En förenad modell för de olika typerna av aktiva galaxer Galaxer, kapitel 10 Galaxer ser man framförallt ovanför och under Vintergatans skiva. Skivans enorma mängder med stoftmoln skymmer bort en storcirkel av den extragalaktiska rymden. Detta kallas för galaxernas undvikningszon. I slutet av 1800-talet startade en debatt om huruvida spiralnebulosorna är objekt i Vintergatan eller egna gigantiska stjärnsystem. Den häftiga debatten pågick bortåt ett halvt sekel innan Edwin Hubble med hjälp av Cepheidvariabler på 1920-talet visade att Andromedagalaxen (Messier 31) ligger långt utanför Vintergatan och är av liknande storlek. Samtidigt gjorde Knut Lundmark i Uppsala med hjälp av novor som standardljus samma sak med astrografen i observatorieparken. Hubble fick nästan monopol på användningen av dåtidens största teleskop, 5-metersteleskopet på Mount Palomar i Kalifornien och använde det för att studera galaxer på olika sätt. Arbetet ledde till att han klassificerade galaxer efter deras utseende, och många galaxtyper finns i hans stämgaffeldiagram. Senare har varianter av diagrammet med underklasser tagits fram, men grunden ligger i Hubbles diagram. Tidigare galaxklassificeringar slutade snart att användas. Hubbles stämgaffeldiagram (sid. 223) Bild 10.3
Spiraler (S) Bild 10.4 & Stavspiraler (SB, Barred Spirals) Bild 10.5 SB och S skiljer sig genom att de förstnämnda har en (olika mycket) utdragen central ansvällning, stav. Båda klasserna Innehåller alla typer av stjärnor, från massiva blå (kortlivade) till röda (gamla, långlivade) stjärnor Innehåller supernovor av alla slag, inte bara typ Ia Innehåller mycket gas och stoft Innehåller nebulosor av alla slag Har spiralarmar och roterande skiva samt centralförtätning Spiralarmanrn uppkommer genom att synkroniserade stjärnrörelser bildar en vågrörelse (täthetsvåg) som roterar långsammare än gasen och stjärnorna. Vågens armar är bara några procent tätare än materialet mellan armarna men gasen komprimeras och bildar nya stjärnor. De heta massiva stjärnorna avslöjar spiralmönstret eftersom dessa snabbt dör nära sin födelseplats Undergrupper bland spiralerna: Sa och SBa: Stor centralförtätning Tätt lindade armar Ringa knottrighet (knottrigheten orsakas av stjärnbildningsområden). Sc och SBc: Liten centralförtätning Glest lindade armar Betydande knottrighet Sb och SBb har egenskaper mellan ovanstående klasser. Vintergatan är troligen en SBb eller SBc I själva verket är klassificeringen sällan så enkel och entydig som principen och olika kataloger kan ge olika klass för samma galax. Varje galax är egentligen en individ Linsformade galaxer (S0 och SB0) Som spiraler men utan synliga spiralarmar, med släta skivor Har roterande skiva och centralförtätning men bara litet gas och stoft Tycks ha fått slut på gastillförsel Är röda, nästan bara gamla brandgula och röda stjärnor
Litet eller ingen gas och stoft Inga massiva sypernovor,typ II, bara Typ Ia Elliptiska galaxer (E) Bild 10.6 Enbart röda/brandgula (gamla) stjärnor Ingen eller mycket lite gas och stoft Inga massiva sypernovor,typ II, bara Typ Ia Ingen systematisk rotation, stjärnornas banplan lutar hur som helst Undergrupper bland ellipserna E0-galaxer: Ser helt runda ut (sedda från oss) E7-galaxer: Mest avplattade (ovala) Däremellan E1, E2, E3, E4, E5 och E6 De väldigt små och ljussvaga kallas dvärgsfäroidgalaxer Storlekarna varierar enormt 10 6 5 10 12 solmassor Dessutom finns oregelbundna galaxer av 2 typer som är mycket vanliga men som inte ingår i Hubbles ursprungliga diagram: Irr typ I: (eng. irregular) Små oregelbundna gasrika galaxer, för lätta för att bilda snygga spiralmönster, granngalaxerna Stora och Lilla Magellanska molnen (LMC & SMC) är sådana Innnehåller alla typer och åldrar av stjärnor, nebulosor och supernovor Irr typ II: Växelverkande och kolliderande galaxer, kan vara av vilken typ som helst och ser ofta mycket störda ut med kraftig stjärnbildning, se t ex APOD-bilden http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap040612.html (OK 2014-10-21)
Galaxernas massor Massor bestäms dynamiskt : från gasens eller de ingående stjärnornas rörelser. Det mesta av massan utgörs av är osynlig mörk materia Elliptiska varierar enormt: 106 5 1012 MSol från nästan osynligt glesa dvärgsfäroidgalaxer till enorma centralgalaxer i stora galaxhopar (cdgalaxer) Spiraler (S & SB) varierar bara en faktor 100: 5 109 5 1011 MSol Irr I: misslyckade spiraler, för lätta : 106 5 109 MSol Irr II: Växelverkande galaxer, vilka massor som helst Galaxernas åldrar Galaxernas åldrar bestäms utifrån deras äldsta stjärnors åldrar. Alla galaxer - även de som först ser ut att innehålla bara unga stjärnor - har hittills visat sig också ha en gammal röd ljussvag stjärnpopulation. Kända galaxer tros därför vara minst 10 miljarder år gamla Galaxkollisioner Galaxer är mycket stora och kolliderar ofta i galaxhopar. Här är en simulering (en massa punkter med massa som alla drar i varandra med en kraft som likt gravitationskraften varierar proportionellt mot 1/r 2 ) som visar hur 5 verkliga observerade växelverkande galaxer kan ha tillkommit: http://www.youtube.com/watch?v=d-0gabq494e&feature=related (OK 2014-10-21) Vintergatan kolliderar med Andromedagalaxen: http://www.youtube.com/watch?v=qnycpqyrp-4 (OK 2014-10-21) Aktiva galaxer (egentligen aktiva galaxkärnor) (sid. 232) Ett antal till synes helt olika objekt samlas under det gemensamma namnet Aktiva galaxer: Seyfertgalaxer (Lkärna 10 36-10 38 W, LVG 10 36 W). Kärnan lyser alltså starkare än hela vintergatan. Benämnda efter galaxforskaren Carl Seyfert
Emitterar icke-termisk strålning, (synkrotronstrålning) när en supersnabb stråle av joner (plasma) rör sig genom ett magnetfält. Ofta starka radiokällor Seyfert 1 uppvisar breda emissionslinjer i spektra, Seyfert 2 uppvisar smala emissionslinjer Emissionslinjerna kan befinna sig i höga stadier av jonisation t ex Fe X (järnatomer som förlorat 9 av sina 26 elektroner) Kärnpartiet varierar i ljusstyrka Blazarer (Lkärna 10 36-10 38 samma som Seyfertgalaxerna) Emitterar icke-termisk strålning Inget märkbart gasinnehåll (inga emissionslinjer i spektrum från kärnan), kontinuumstrålning dominerar Varierar i ljusstyrka Radiogalaxer (Lkärna 10 36-10 38 W, samma som Seyfertgalaxerna) Emitterar jets i form av icke-termisk strålning Syns i visuellt ljus och framförallt i radiostrålning Radiogalaxer delar Seyfertgalaxernas övriga egenskaper och klassificeras ofta som båda sorterna Bild 10.18, Kärnan hos radiogalaxen M 87 i centrum av Virgohopen, Avstånd 50 miljoner ljusår, jetens längd ca 2,5 miljoner ljusår Kvasarer (Lkärna 10 38-10 42 W, ännu ljusstarkare än Seyfertgalaxerna) Förkortning av Quasi-Stellar Radio Source, Kvasistellär radiokälla eftersom de såg ut som stjärnor med obegripliga spektra i de första observationerna. Nu är spektra begripliga som enormt rödförskjutna galaxkärnor. Emitterar icke-termisk (icke-svartkroppslik) strålning Kan ses på extremt stora avstånd därför att de är så ljusa Ljusstyrkan kan variera med en periodicitet på mindre än ett par veckor vilket betyder att objekten (galaxkärnan) än mindre än ett par ljusveckor i diameter! Seyfertgalax, blazar, radiogalax och kvasar tycks vara fyra ord för samma objekt (sid. 236) men betraktat från olika vinklar
Har de samma ursprung? Troligen (men alla håller inte med) OBS: Aktiviteten kommer från en liten bråkdel av galaxen, berör främst kärnan som består av ett supermassivt svart hål (kanske flera tusen miljoner M!) samt en gasring och ansamlingsskiva av gas/stoft/plasma som roterar runt kärnan av en vanlig galax (eng. AGN= Active Galactic Nucleus). Gasen faller in mot hålet, accelereras då häftigt och hettas upp enormt när den pressas ihop. Den gas som inte faller in sprutas i stället ut med nästan ljushastigheten i rotationsaxelns riktningar. Jämför vad som sker i stjärnor på väg till huvudserien, T Tauri-stjärnor Den enhetliga modellen för aktiva galaxkärnor Bild 10.22 Gasen finns i en roterande skiva (Liknar mycket den skiva som finns runt en stjärna som håller på att bildas, men väldigt mycket större). Gasen närmast supermassiva svarta hålet roterar snabbast friktionsupphettning produktion av bl a extremt kraftig UV- och röntgenstrålning samt radiostrålning En del av gasen försvinner in i det svarta hålet. Resten av det infallande materialet stoppas pga strålningstrycket från den ännu hetare gasen längre in ansamlat material trycks ut med nästan ljusets hastighet i 2 strålar i 90 graders riktning från skivan, troligen fokuserat av spiralvridna magnetfält. Synkotronstrålning från strålen kan ibland observeras som en radiogalax när strålen kolliderar med det intergalaktiska mediet Slutsats: Vilken typ av objekt vi ser beror på från vilken vinkel vi betraktar det För blazarer och kvasarer ser vi nästan rakt in i en av gasstrålarna och ser den innersta heta delen av gasskivan För Seyfertgalaxer och radiogalaxer ser vi snett på det hela och gasskivan skymmer bort de hetaste centraldelarna För radiogalaxer ser vi galaxen nästan från kanten och observerar radiostrålningen från de områden långt från skivan där gasstrålarna kolliderar med det intergalaktiska mediet. (Blazarer, kvasarer och Seyfertgalaxer kan också samtidigt vara radiogalaxer). Radiogalaxer kan
visa den allra sörsta utsträckningen av alla galaxer (Dock innehåller radioloberna nästan ingen materia) Aktiva galaxen NGC 7052, Bild 10.23 Ansamlingsskivan har en diameter av 1100 ljusår Massan i kärnan har uppskattats till 300 miljoner M! galaxens massa vilket är ca 5% av Galaxbildning Galaxbildning tycks ha startat väldigt kort efter att universums gas svalnat till ca 3000 K och blivit transparent ( rekombinationen ca 380 000 år efter Big Bang). Den mörka materien, ca 80% av all materia, börjar att bromsa expansionen litet där dess densitet (av rent slumpmässiga statistiska skäl) här och där var litet högre än genomsnittet. Densitetskontrasten mot omgivningarna ökar då med tiden. Vanlig materia, vid denna tid ännu bara H och He, samlas där den mörka materien koncentreras. Den vanliga materien är som skummet på vågorna. De första galaxerna var små och oregelbundna (det ser vi nu också långt bort i universum = tidigt i universums historia), drog till sig mer och mer gas och sammansmälte ofta till större. Ett par youtubefilmer visar hur en stor spiralgalax kan ha bildats och utvecklats under universums historia: http://www.youtube.com/watch?v=mncudwhpb_e (OK 2014-10-21) http://www.youtube.com/watch?v=h9za1cp9ima (OK 2014-10-21) följer en galax genom hela universums historia på 140 sekunder Slutsats: Galaxer är väldigt mjuka, gravitationskrafterna styr nästan helt deras rörelser. Galaxbildning är en slafsig affär