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)
