Orienteringskurs i astronomi Föreläsning 9, 2014-10-13 Bengt Edvardsson Innehåll: Vintegatan Utseende Delar Rörelser, gas Rörelser, stjärnor Det kosmiska kretsloppet Mörk material Vår galax, Vintergatan (kap 9) Vintergatan (VG) är vår egen galax. Det är därför också namnet på det ljusa band av myriader stjärnor som syns som ett stråk över himlen mörka klara nätter (bild 9.1). På nästan alla andra språk heter den ungefär Mjölkvägen efter den Grekiska gudasagan om Hera som spillde mjölk över himlen när hon ammade den busige Herakles. Ordet galax kommer från det grekiska ordet för mjölk. Vintergatan är en spiralgalax (en stavspiralgalax), ett enormt diskusformat system av stjärnor, gas, stoft och mycket osynlig mörk materia. Den målades av i ett berömt panorama utifrån solens position från mängder av fotografiska plåtar av 2 konstnärer i Lund på 1950-talet, se http://www.astro.lu.se/resources/vintergatan/ (OK 2014-10-14) Vi sitter ju inne i skivan, bilden visar hur himlen ser ut runt hela storcirkeln, 360 grader. Vintergatans centrum finns i riktning mot mitten av bilden, men skyms (i synligt ljus) av enorma mängder stoft i vätgasen Vår plats i Vintergatan: Bild 9.5, skiss från kanten, bild 9.8 skiss från flatsidan Vintergatan i olika våglängder, bild 9.3. I infrarött ljus och mikrovågor skymmer inte stoftet sikten genom skivan och man kan observera strålning från stjärnor och svalt stoft från hela galaxen.
Vintergatans uppbyggnad (sid 208) Bild 9.6 Kärnan, innerst, ett ca 3-4 miljoner solmassor supermassivt svart hål, gasskiva (eng. Nucleus), gas och stoftmoln faller ibland in i detta och blinkar till när de hettas upp på vägen. Runt kärnan ser man stjärnor som rör sig med fantastiska hastigheter. Avstånd från solen ca 8 kpc (8000 pc eller 25000 ljusår). Kärnans inflytande är mycket lokalt och det svarta hålets massa är trots allt bara en försumbar bråkdel av hela vintergatans Centralförtätningen, centrala ansvällningen (eng. Bulge), domineras av gamla röda stjärnor, troligen den äldsta delen av Galaxen. Den är utdragen och tycks jordnötsformad. Längd ca 6 kpc Skiva (eng. Disk), diameter ca 50 kpc: stjärnor av alla åldrar, gas, stoft, stjärnbildning, nebulosor, H II-områden, spiralarmar, relativt metallrik (gasen anrikas successivt med metaller från tidigare stjärngenerationer, metallhalten ökar sakta). Skivan roterar runt vintergatans centrum, ungefär som gas & stoftskivan runt Solen gjorde innan planeterna bildades, men till skillnad från solsystemet med ungefär samma hastighet på olika avstånd. Det tar ca 200 miljoner år för solen att gå ett varv (ett kosmiskt år ), så solen är drygt 20 kosmiska år. Nya stjärnor bildas ur och ärver därför gasens cirkelrörelser när de föds. Öppna stjärnhopar (=unga stjärnhopar) bestående av dussintals till 1000-tals stjärnor som bildats relativt nyligen är vanliga i skivan. Dessa hopar löses upp så med tiden och stjärnorna sprids ut i skivan, var och en med sin egen ungefärligen cirkelrunda bana. Stjärnhoparnas åldrar kan bestämmas om man upprättar deras HR-diagram: huvudserien blir kortare med tiden vartefter de mer massiva stjärnorna dör bort, bild 9.15. Huvudserien brinner ner när hela tiden de mest massiva stjärnorna lämnar huvudserien och därefter snart dör. Läget av den punkt på huvudserien där stjärnorna börjar gå mot jättegrenen turn-off-point ger ett bra mått på stjärnhopens ålder. Vi antar att alla hopens stjärnor bildades samtidigt och med samma grundämnessammansättning. Stjärnhopar är utmärkta testobjekt för stjärnutvecklingsteori Halo, mycket gamla metallfattiga (=födda ur metallfattig gas) stjärnor & klotformiga stjärnhopar; de senare är 10.000-tals till 100.000-tals stjärnor gravitationellt sammanhållna i täta bollar och alla mycket gamla (bild 9.14). Halon bildar en tillplattad sfär runt skivan, ungefär som en
grapefrukt. Halon består delvis av stjärnor som varit mindre galaxer som smält samman med (eller kannibaliserats av) VG. Halon är ljussvag. Vintergatans spiralmönster i disken I spiralarmarna finns (Bild 9.8, 9.20): Neutral vätgas (H I)+ andra grundämnen och stoft Kall gas, molekylmoln med stoft och is (mest molekylärt väte, H2) Stjärnbildning och unga stjärnor Alla massiva blå stjärnor eftersom de lever så kort tid och dör nära platsen där de bildats Reflektionsnebulosor kring heta stjärnor H II-områden, där de massiva stjärnorna hettar upp och joniserar gasen omkring sig OB och T associationer: grupper av massiva nybildade stjärnor Öppna stjärnhopar som löses upp vartefter Spiralgalaxen M 83, Bild 9.9 Liknar troligen vår Vintergata. Dess avstånd är 7 miljoner pc. (10 ggr Andromedagalaxens, M31, avstånd) Olika objekt i Vintergatan Öppna stjärnhopar, Bild 9.12 Större ansamlingar av unga (vanligen ca 106-109 år) stjärnor antal: 100-10000 stjärnor, löses upp med tiden. Även solen föddes säkert tillsammans med många andra stjärnor i en hop som sedan lösts upp (det har föreslagits att det var stjärnhopen M67). Vi känner annars inte till något av solens syskon, de är då utspridda över halva galaxen på de ca 20 kosmiska åren sedan bildandet. De finns i disken eftersom de bildas ur Giant Molecular Clouds stora gas- och stoftmoln Plejaderna på ett avstånd av 400 ljusår, innehåller något tusental stjärnor och är den kanske mest kända öppna stjärnhopen (ses lätt med blotta ögat), en ung hop, bara ett par hundra miljoner år gammal. Med ett mindre teleskop kan man se fina blå reflektionsnebulosor runt de varma A-stjärnorna. (Pleiaderna kallas ibland lilla karlavagnen )
Klotformiga stjärnhopar, Bild 9.14 Ansamlingar av mycket gamla röda, metallfattiga stjärnor i halon, består av 10 000-tals till 100 000-tals stjärnor, stabila system, de äldsta sammansatta objekt vi känner i Vintergatan tillsammans med den centrala ansvällningen. De rör sig i excentriska banor runt galaxens centrum som kan luta hur som helst, bild 9.7 Exempel M 80 på avståndet 28 000 ljusår i skorpionens stjärnbild och M4 på bild 7.5 Stjärnhoparnas åldrar (sid. 212), Bild 9.15 Det är rimligt att tro att alla stjärnor i en hop är lika gamla och bildades ur samma gas- och stoftmoln. Stjärnhoparnas åldrar kan erhållas ur ett färg-magnitud diagram (en variant av HR-diagrammet) där den s.k. turnoff-point utnyttjas. TOP är den högsta punkt på huvudserien där stjärnor fortfarande finns kvar och indikerar hopens ålder. Tumregler om normala stjärnors åldrar/färger, Bild 5.20 Blå stjärnor är unga och kortlivade* & OVANLIGA Alla stjärnor är röda under delar av sin utveckling Lätta långlivade stjärnor är alltid röda* & MYCKET VANLIGA *Undantag: vita dvärgar som ju är mycket ljussvaga döda medeltunga/lätta stjärnors kärnor Stjärnpopulationer i Vintergatan (sid. 208) Population I: Unga & medelålders stjärnor, de högsta metallhalterna. Dessa finns i skivan med spiralarmarna, mycket vanliga i solens omgivning Population II (upptäcktes sent): Enbart gamla stjärnor, ovanliga i solens närhet, har mindre än 1/10 av solens metallhalt. Dessa finns främst i halon (excentriska banor) och i halons klotformiga stjärnhopar OBS! Metallhalten (halten grundämnen tyngre än helium, t ex syre!) är betydligt
lägre i halostjärnor än i stjärnor i skivan vilket beror på att halon bildades tidigare Varför? Det kosmiska kretsloppet: Jag har gjort (för mycket länge sedan) en liten presentation om stjärnornas liv och grundämnenas historia i http://www.astro.uu.se/~be/kretsloppet.html (OK 2014-10-14) Vintergatans bildande, version 1 (har inte mycket stöd numera) Galaxen bildades genom kollaps av ett gigantiskt gasmoln (som vid bildning av enstaka stjärnor), i centrum blev stjärnbildningen mycket effektiv, detta är den centrala ansvällningen. Rörelser i gasen gjorde att molnet hade en liten omärklig rotation P g a molnets kraftiga krympning ökade rotationshastigheten och i symmetriplanet bildades under kollapsen en skiva av gas, där bildas nu alla nya stjärnor Men före under kollapsen skivan bildades stjärnor i halon, vissa i stora klotformiga stjärnhopar med låg metallhalt och kaotiska banor Vintergatans bildande, version 2 (mest sannolik) Vintergatan successivt sammansatt av gasströmmar och små gasrika dvärggalaxer som smälter samman där det finns ett överskott på mörk materia. Des små galaxerna bildades ursprungligen var och en för sig Halon (population II) uppbyggd av dvärggalaxernas stjärnor, Centrala ansvällningen, staven, är centraldelarna av Halon, de första och tätaste delarna Disken (population I) uppbyggd av deras gas. Fortfarande faller gas och dvärggalaxer in i Vintergatan och gasen stoppas upp och införlivas i skivan när den faller ner Idag tyder det mesta på att version 2 är mest sannolik, bl a om vi ser långt bort i Universum och därmed bakåt i tiden Simulering av Vintergatans slafsiga historia: http://www.youtube.com/watch?v=n0jrobc7_xo (OK 2014-10-14)
Mörk materia i Vintergatan (sid. 213), Bild 9.16 Planeternas i solsystemet rotationskurvor, följer s.k. Keplerbanor, 9.16a. Nästan all massa finns i solen och planeternas rörelser styrs av denna (efter att de bildades i stoftskivan kring protosolen med en rörelse i cirkelbana). Över långa tider kan planeterna påverka varandra så att banorna ändras Vintergatans rotation visar inte alls samma mönster, 9.16b. Ju längre från centrum desto mer massa känner stjärnan (eller gasen) som drar in mot centrum. Vintergatans massa är alltså utsprid över hela galaxen, och all gas, stoft och stjärnor kan bara förklara kanske 10% av massan. Vi vet inte vad denna materia är och det finns materia även långt utanför Vintergatans synliga gränser. Denna osynliga materia kallas Mörk materia Mörk materia i Vintergatan (sid. 213), Bild 9.16 Vintergatans totala massa torde vara minst 1012 MSol varav endast ca en tiondedel utgörs av stjärnor vilket motsvarar omkring 200 miljarder stycken Slutsats: Vanlig materia (baryonisk) som stjärnor, planeter, gas och stoft utgör endast omkring10% av Vintergatans massa, vad består de resterande kanske 90% av? Kandidater till mörk materia: Kanske svarta hål eller mycket ljussvaga lätta stjärnor eller bruna dvärgar (s k MACHOs; MAssive Compact Halo Objects)? Högst ca 10% av den osynliga massan (boken uppger 50% - gammal uppgift), bild 9.17 Exotiska svagt växelverkande elementarpartiklar (kolliderar inte med vanlig materia utan påverkar den bara med gravitationskraft) tycks vara det mest sannolika. Olika experiment pågår för att försöka finna dem Båda dessa kan bidra med massa men inte med elektromagnetisk strålning. De kallas därför mörka En del forskare försöker som alternativ modifiera Newtons gravitationslag
för stora avstånd för att slippa ta till mörk materia Hur skapas spiralmönstret i galaxer? En naturlig konsekvens av differentiella rotationen att gas och stjärnor i banor närmare centrum kör om den som ligger längre ut. Det finns ett antal andra tänkbara möjligheter: Spiralgalaxer är omgivna av stora moln av H I-gas som faller in mot galaxen och skapar svallvågor Stavar genom centrum (hos stavspiralgalaxer) kan ge upphov till svallvågor i skivan Växelverkan med galaxgrannar (som Vintergatan med LMC och SMC) Beräkningar visar att mönstret borde upplösas efter ett eller ett par varv eftersom rotationstiderna är olika på olika avstånd från centrum Täthetsvågteorin (sid. 216) Bild 9.19: Hur bibehålls spiralmönstret i galaxer? Scenario: Stjärnornas växelverkan orsakar små störningar i stjärnornas banor som förstärker varandra. Det skapas då ett spiralformat mönster med lägre gravitationspotential som roterar runt galaxens centrum med stelkroppsrotation. Dessa kallas täthetsvågor Täthetsvågmönstret roterar ca 30 kms-1 långsammare än stjärnorna, gasen och stoftet vilket innebär att de senare hinner ifatt och bromsas upp av spiralmönstrets gravitationspotential (vågdalarna) Sammanpressning av gas och stoft skapar chockvågor och stjärnbildning Allteftersom stjärnorna, gasen och stoftet lämnar spiralmönstret ersätts de av nytt material (de har ju högre fart än täthetsvågen) En synlig spiralarm är således en temporär ansamling av stjärnor, gas och stoft där materialet hela tiden byts ut. De ljusaste (massiva) stjärnorna skapar emissionsnebulosor (t ex H II-områden) och lyser själva mycket starkt under sina korta liv. Men de dör snart, innan de hunnit lämna spiralarmen. Därför blir spiralmönstret så tydligt i spiralgalaxer
Sammanfattning av täthetsvågteorin Bild 9.20 Vintergatans centrum (sid. 219) Bild 9.21 och 9.22 Ligger i riktning mot skyttens stjärnbild (långt bakom de närbelägna stjärnor som definierar stjärnbilden) 25-30 magnituders extinktion i visuellt ljus. Dock synlig i IR och radio stjärnor (1500 kms-1) samt joniserad gas. Synkrotronstrålning emitteras En massa av ca 3-4 106 MSol inom ett område som inte är större än vårt solsystem!! Ett supermassivt svart hål i kärnan är den enklaste förklaringen Sammanfattning Vintergatan: är en stavspiralgalax Hålls ihop av gravitationen (mörk materia dominerar) Vintergatan mycket dynamiskt, mjukt system Centralförtätning, skiva med armar, halo I centrum, supermassivt svart hål (dominerar bara lokalt i mitten, håller inte ihop Vintergatan ) Interstellära mediet är nästan bara tomrum (extremt tunn gas) Gasens tillstånd förändras kontinuerligt Stjärnorna är pyttesmå, kolliderar ej Långsam kemisk utveckling av gasen, metallhalten ökar Vintergatan växelverkar med grannarna Vintergatan kannibaliserar mindre grannar och ny gas faller ner Näst på tur är troligen de Magellanska molnen två granngalaxer på södra stjärnhimlen Om ca 5 miljarder år smälter VG förmodligen samman med Andromedagalaxen inga stjärnor kommer att kollidera http://www.space.com/15947-milky-andromeda-galaxies-collision-simulated-video.html (OK 2014-10-14 - skippa reklamen i början)