Vintergatan
Universums byggnad, 8 april 2008
Albert Nummelin
1
Bilder av universum: William Herschel
(1738―1822)
• avplattat universum; inga andra galaxer
kända
• solen nära centrum
Jacobus Kapteyn (1851―1922)
• moderniserad variant av Herschels
modell, baserad på fotografiska data
(1922)
2
Debatten 1920 mellan Heber Curtis (Lick
Observatory) och Harlow Shapley (Mt. Wilson)
Harlow Shapley (1885-1972)
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 50000 ljå från
centrum av 300000 ljå skivformig
galax (överskattat)
Curtis:
1. Vintergatan är 30000 ljå i diameter
2. ”Spiralnebulosorna” är andra galaxer
utanför Vintergatan (trodde även
Knut Lundmark)
Shapley:
1. Vintergatan är 300000 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
Dagens bild av vår hemgalax
• Vintergatan: vår hemgalax; ett system av 2―400
miljarder stjärnor samt gas och stoft, vilket solen
tillhör. Totalt 1012 solmassor
Uppbyggnad:
• tunn skiva (2000 ljå x 100000 ljå) med central
utbuktning (6000 ljå x 15000 ljå) och spiralarmar
• sfärisk halo (200000 ljå diam.) bestående av 200
klotformiga stjärnhopar och enstaka mycket gamla
stjärnor
• någon form av materia som ännu inte observerats
direkt (”mörk materia”)
4
de klotformiga stjärnhoparna
indikerar Vintergatans dynamiska
centrum
(Wikipedia)
5
Klassificering av Vintergatans stjärnor
(Walter Baade, 1943)
Vintergatans bildande?
Kriterier för klassifikation: ålder, rörelse, kemisk sammansättning
•
Extrempopulation II:
– de äldsta stjärnorna (12―15x109 år)
– mkt liten andel (0.1%) tyngre ämnen än helium (”metaller”)
– återfinns företrädesvis i halon i klotformiga stjärnhopar
oorganiserade
stjärnrörelser
•
Mellanpopulation II:
– inte fullt så gamla och metallfattiga
– dominerar ljuset från vintergatsskivans utbuktning
•
nybildade stjärnor
bildas i skivan; cirkulära
banor
•
ursprungsstjärnorna
kvar i halon
•
Skivpopulationen:
– medelålders (2―12x109 år); solen
– 1―2% tyngre ämnen
Mellanpopulation I och Extrempopulation I:
– yngre stjärnor (0―2x109 år) av typ O/B/A
– 2―3% tyngre ämnen
– finns i spiralarmarna
Population III:
– de allra första stjärnorna; hypotetisk grupp
6
1.
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
2.
3.
stoftstråk, förtätad
gas (gasen ”hinner
upp” spiralarmen vid
dess innerkant och
bromsas ned)
HII-områden,
nyfödda OB-stjärnor
joniserar sitt
födelsemoln
OB-stjärnor vars
stjärnvind har blåst
bort gasen
(spiralarmens
ytterkant)
sekventiell (”triggad”) stjärnbildning möjlig
7
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!
stel kropp
solsystemet
Vintergatan
8
Vintergatans rotation: problem
Problem: stoft absorberar visuellt ljus och
förhindrar observationer i Vintergatans plan
• 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)
9
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
Bättre: infrarött ljus (1―4µ
µm)
Bättre bild av stjärnfördelningen i vår egen galax
(COBE/DIRBE)
11
Gasens fördelning i Vintergatan
koronagas
106 K (mkt het)
0.001― 0.01 atomer/cm3
atomär gas
50―100 K
1 ― 10 atomer/cm3
molekylär gas
10 K
102 ―106 H2 molekyler/cm3
joniserad gas
(HII-områden)
104 K
kring nybildade
ljusstarka stjärnor
Stjärnbildning sker
uteslutande i den
molekylära gasen
12
Vintergatans spiralarmsstruktur:
7: yttre armen
8: Perseusarmen
11: Orionarmen
12: solens position
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 107 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
yttre
armen
21-cm
HI spektrum
Perseusarmen
-85 km/s -50 km/s
lokala (Orion-)
armen
0 km/s
Hastighet relativt solens omgivning (km/s)
13
• 21-cm
radiostrålning
(neutral atomär
vätgas, HI)
• visuellt ljus
(joniserad vätgas,
HII)
Helixnebulosan, NGC 7293 (Rodriguez, Goss
& Williams 2002)
14
15
Observationer av molekylär interstellär gas
• Består mest av H2 (och
He!); ingen atomär vätgas
• En egenhet hos H2molekylen: endast mycket
svag radiostrålning och
bara under speciella
omständigheter (t ex
uppvärmd gas i
chockfronter)
• CO: näst vanligaste ämnet
i molekylmoln (1/10000 av
H2) ―> använd CO som
spårare av den
svårobserverade H2
G327.3-0.6: ett molekylmoln uppvärmt av stjärnor
under bildande
Andra kemiska föreningar förekommer i mkt små koncentrationer,
mindre än 1/100 av CO
16
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
kända interstellära molekylföreningar (omkring 125 ämnen)
H2
CH
CH+
NH
OH
C2
CN
CO
SiC
CP
CS
NO
NS
SO
HCl
NaCl
KCl
AlCl
AlF
PN
SiN
SiO
SiS
CO+
SO+
HF
H 3+
N 2O
NH2
H 2O
H 2S
HCN
HNC
C2H
C2O
CH2
HCO
HCO+
HCS+
HOC+
HNO
N 2H +
C3
SiC2
SO2
CO2
OCS
MGNC
MgCN
NaCN
c-C3H
C3H
C3N
C3O
C3S
CH2D+
HCCN
HCNH+
HNCS
HNCO
HOCO+
H2CN
NH3
H 3O +
H2CO
C2H2
c-SiC3
C5
C4H
C4Si
C3H2
c-C3H2
CH2CN
HC2NC
H2CNH
H2C2O
H2NCN
HNC3
H2COH+
C5H
C50
C2H4
CH3NC
CH3OH
CH3SH
HC3NH+
HC2CHO
H2C4
C5N
C6H
CH2CHCN
CH3C2H
HC5N
HCOCH3
NH2CH3
c-C2H4O
CH2CHOH
CH3C5N?
(CH3)2CO
NH2CH2COOH??
CH3CH2CHO
HC9N
C6H6?
CH3C3N
HC11N
CH3COOH
C7H
H2C6
CH2OHCHO
CH2CHCHO
CH3C4H
CH3CH2CN
(CH3)20
CH3CH20H
HC7N
C8H
Resumé: grundämnenas ursprung
1. I Big Bang bildades ”normalt väte” 1H (75% av
materiemassan), ”normalt helium” 4He (25%) och
mycket lite 3He, 2H (deuterium, ”tungt väte”) och 7Li
2. grundämnen tyngre än He upp till 56Fe bildas genom
fusion i stjärnornas inre
3. tyngre grundämnen bildas genom neutroninfångning
antingen i massiva stjärnor (”s-processen”, upp till
209Bi ) 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
Kosmisk materialåtervinning 1: supernovor
19
20
Kosmisk
materialåtervinning 2:
Stjärnvind från röda
jättestjärnor
• 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
Sammanfattning: Materians kretslopp
22
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
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 ->
106 solmassor inom ett
område mindre än 10
A.U. -> supermassivt
svart hål?
24
