Galaxhopar

Orienteringskurs i astronomi
Föreläsning 11, 2014-10-27
Bengt Edvardsson
Innehåll:
Galaxhopar
Kosmologi, Universms ursprung, utveckling och utseende
4 stöd för en het “Big Bang”
1. Universums expansion
2. Den kosmiska mikrovågsbakgrunden
3. Mängderna av de lättaste grundämnena
4. De äldsta stjärnorna
Universums geometri (form)
Den mörka energin
Galaxhopar
Kollisioner i hopar är vanliga
Avstånden mellan medlemmarna är ”små”
och de stora galaxerna ”äter succesivt upp” de mindre
Vår lokala galaxgrupp (sid. 229)
Ca 60 medlemmar, varav Vintergatan är en, de flesta andra är
dvärggalaxer.
Andromedagalaxen (M 31) och Vintergatan är de största
medlemmarna. Deras inbördes rörelser vsar att de komer att smälta
samman om ca 6 miljarder år.
Lokala gruppens diameter är omkring 9 miljoner ljusår, 3 Mpc.
Andromedagalaxen med M 110 och M 32 Bild 10.10
Stora och Lilla Magellanska molnen Bild 10.7
De två satellitgalaxerna LMC och SMC, nu på avstånd 160 000 resp. 200
000 ljusår, är på väg att smälta samman med VG
Virgohopen (sid. 230)
Avstånd till dess centrum: ca 15 Mpc (~50 miljoner ljusår)
Har ca 2000 medlemmar. Diameter ca 3Mpc ~10 miljoner ljusår
Oregelbunden med alla typer av galaxer från E till S och Irr
Största (tyngsta) galaxen: M87 nära hopens centrum, en riktig ”kannibal”
Lokala gruppen “faller in” mot Virgohopen
Comahopen (sid. 231)
Avstånd ca 90 Mpc (~300 miljoner ljusår)
Har ca 10 000 medlemmar, kanske fler
Regelbunden, d.v.s. består nästan enbart av E och S0-galaxer
I centrum finns två jätteellipser, NGC 4874 och NGC 4889 (NGC= New
General Catalogue). Dessa ”äter” andra galaxer, därför så stora
Superhopar
Galaxhoparna grupperar sig och bildar superhopar med diametrar på
uppemot 30 Mpc som i sin tur grupperar sig med andra. Universums struktur
ser ut ungefär som en tvättsvamp med galaxhopar i väggarna mellan
”hålrummen”
Växelverkande och kolliderande galaxer (sid. 240)
Gravitationell växelverkan mellan galaxer är vanlig och galaxkollisioner tros
ge upphov till kraftig stjärnbildning. Därför att galaxerna är stora jämfört
med avstånden mellan dem i galaxhopar så stör de varandra gravitationellt
och kolliderar ofta
Antennerna på avståndet 65 miljoner ljusår (Bild 10.25)
The Cartwheel tros ha uppkommit genom en galaxkollision för 200 miljoner
år sedan (Bild 10.8). Ringen med stjärnbildning rör sig utåt, ungefär som
ringar på vattnet när man kastar i en sten.
Kosmologi är studiet av Universums uppkomst,
beståndsdelar och historia (sid. 243)
Den kosmologiska principen: Universum är homogent på stora skalor
och ser likadant ut för alla observatörer: Det ser likadant ut om vi tittar i
olika riktningar. Ett naturligt grundantagande så länge vi inte ser bevis för
motsatsen. Det är en grundbult i kosmologin att samma fysik gäller överallt
eftersom vi ser samma processer vart än vi tittar
Universums skapelse kallas Big Bang (ursprungligen ett öknamn) och
skedde för ca 13,7 miljarder år sedan, 13 700 000 000 år
Innebär att universum, dvs rummet, tiden och all materia/energi,
utvecklades från en s.k. singularitet, en punkt med oändlig densitet.
Einstein skulle säga: En singularitet är en oändligt krökt fyrdimensionell
rumtidstruktur
Universum har ändlig ålder
Vi kan inte bevisa Big Bang-teorin och det är nyttigt att det finns astronomer
som försöker motbevisa den. Trots att den har mycket bättre förklaringskraft
än alternativen så kan den kanske en gång ersättas av något bättre – fast det
nu verkar osannolikt. Teorin utvecklas dock med tiden, detaljer ändras och
betoningen flyttas mellan olika processer. Vetenskapen ska av princip välja
den enklaste förklaringen med minst antal nya antaganden
Fyra viktiga stöd för att universum är sprunget ur ett hett Big Bang
1.
Universum expanderar (sid. 244) ”Upptäcktes” av Edwin
Hubble och andra på 1920talet
2.
Den kosmiska mikrovågsbakgrundstrålningen med en
temperatur av ≈ 2,73 Kelvin IDAG (sid. 256). Upptäcktes av Penzias
& Wilson 1967, de fick sedermera nobelpriset
3.
Den URSPRUNGLIGA heliumhalten (2He4) i universum var ≈
24% (massandel, sid. 261). Mängderna av D (1H2), helium 3 (2He3),
tillsammans ca 0,01% och litium 7 (3Li7), ca 1 atom på 1010
väteatomer, i de äldsta objekt vi känner stämmer också väl med vad
en enkel termodynamisk modell av Big Bang ger
4.
Olika kosmokronometrar ger universums ålder till ≈ 12-15
miljarder år med en viss osäkerhet (sid. 264). Inga kända stjärnor t ex
är äldre än Big Bang
Astronomiska avståndsskalan II (sid 47, 174, 222)
1.
2.
Tidigare har det handlat om parallaxmetoden (ut till några hundra pc)
Från vad man lärt sig av stjärnor som vi känner avståndet till från
parallaxmetoden har man lärt sig tolka stjärnspektra så att man direkt
3.
4.
5.
från spektrum kan bestämma absolutmagnituden Mv . (med olika god
noggrannhet för olika stjärnor)
Cepheid-variabler och RR Lyrae-stjärnors variationsperioder avslöjar
stjärnornas absolutmagnituder Mv, sid 165
Tully-Fisher-metoden (Bild 10.2) för spiralgalaxer: Galaxens massa
relaterar till dess absolutmagnitud Mv, sedan används avståndsformeln.
Massan bestäms ur bredden av neutrala vätgasens 21-cm linje som blir
bredare ju snabbare galaxen roterar. Rotationshastigheten ökar i sin tur
med massan, sid 222
Supernovor typ Ia (exploderande vita dvärgar). Dessa är mycket
ljusstarka och lika varandra. Man kan ur ljuskurvan bestämma deras
absolutmagnituder, Mv, med ca 10% noggrannhet. De är därför utmärkta
standardljuskällor ut till mycket stora avstånd, sid 174
Ur mätningar av apparenta magnituden kan sedan avståndet bestämmas med
hjälp av avståndsformeln (sid 47)
Hubbles lag
Inte alltför närbelägna galaxers och galaxhopars spektra är förskjutna mot
längre (rödare) våglängder efter som rymden ”växer” mellan dem, liknar
dopplereffekten men är inte samma sak. Fotonerna ”sträcks ut” när
Universum expanderar
Gäller alltså inte för lokala gruppen eller närbelägna galaxhopar, bara på
stora (”kosmologiska” ) avstånd
För att mäta en galax rödförskjutning observerar man dess spektrum.
Detta jämför man med spektrum av en gasemmisionslampa som ger
emissionslinjer med kända våglängder ”observerad” med samma
spektrograf. Om jämförelsen visar att galaxens spektrum (alla
spektrallinjer) är förskjutna åt det röda hållet väljer man en linje, t ex
H(beta) med laboratorievåglängden λo 486,1 nm och ser vid vilken
våglängd galaxens H(beta) hamnar i lampans spektrum, t ex λ 530,0 nm
Den kosmologiska rödförskjutningen, z, definieras som:
z=(λ-λo)/λo
λo= vilovåglängden (=labvåglängden), λ= observerade våglängden
z=(600,0-486,1)/486,1 = 0,083
Radialhastigheten, v, definieras:
v=c·z
där v uttrycks i km/s, c= ljushastigheten= 300 000 km/s.
I detta exempel blir det ca 25 000 km/s
(För stora avstånd och hastigheter måste man göra en relativistisk
korrektion enligt Einstein, men man talar sällan om hastigheter eftersom
det inte är en hastighet i rummet utan använder z)
Spektrum av galaxer i avlägsna hopar. Både emissionslinjer och kontinuum
är rödförskjutna. (För principen se bild 11.3 och sid 245)
Hubbles lag, bild 11.2: Edwin Hubble mätte både avstånd och hastigheter
för många galaxer, och har fått ge namn åt den s k Hubbleparametern
(eller Hubblekonstanten) Ho
v = H o ·r
r= avståndet (Mpc), Ho= Hubble-parametern (km/s/Mpc). Ur de två
senaste ekvationerna fås då avståndet:
r = v/Ho = c·z/Ho
Universum tycks alltså expandera. Vad händer om vi går bakåt i tiden?
Allt måste ha varit ”på samma ställe” vid en tidpunkt som vi kallar ”Big
Bang”. Det är egentligen ett öknamn myntat av Fred Hoyle som inte
trodde på idén utan föredrog ett statiskt Universum som alltid sett lika
dant ut
1. Första stödet: Universums expansion (sid. 244)
OBS! Det är rymden (rummet) mellan galaxhoparna som expanderar.
Galaxerna och galaxhoparna blir INTE större! Den påverkar heller inte
stjärnorna i Vintergatan
Objekten inom galaxer och galaxer i galaxhopar motverkar lokalt
universums expansion (Hubbleflödet) genom sin inbördes gravitationella
attraktion och har individuella inbördes rörelser runt hopens masscentrum
Är vi i universums centrum?
Jämför vår galax och några avlägsna galaxhopar, långt tillbaka i tiden
(Bild 11.4 övre del) och en tid senare (Bild 11.4 nedre del)
Slutsats?
Alla observatörer i de olika hoparna upplever att alla andra avlägsnar
sig... Dvs vi kan inte definiera något centrum! (Man kan tänka sig
processen som om galaxhoparna vore russinen i en jäsande deg där ingen
ser något slut åt något håll)
Tre mätbara storheter: Ho, qo, Ωo (sid. 244, 249) bokens siffror litet gamla
H o:
Hubbleparametern anger universums expansionshastighet i km/s/Mpcn
(index ”noll” anger det värde vi mäter idag)
Mätningarna tyder på att Ho= 67,3 kms-1Mpc-1 (±1,2), dvs en galaxhop som
ligger 100 Mpc bort tycks avlägsna sig med ca. 6730 kms-1.
För detaljer se http://arxiv.org/abs/1303.5076
Universums geometri och dess framtida öde (”klassiskt”, dvs om Λ= 0)
Universums tre möjliga geometrier enligt Friedmanns standardmodeller
(Tabell 11.1 sid. 249)
Tre standardgeometrier för rummet (sid. 250) Bild 11.5
(2-dimensionella analogier till 3-dimensionella rum. Vi måste här tänka oss
som om vi bara förstod 2 dimensioner, framåt-bakåt och vänster-höger och
kunde inte tänka oss uppåt-neråt. Om vi då gick på bollens yta vore det
obegripligt att ”universum” vore ändligt men ändå obegränsat. P s s kan vårt
3-dimensionella universum kröka sig i en för oss omärklig 4-dimensionell
rums-tid)
Tre observationer av mikrovågbakgrundsstrålningen (Bild 11.13)
Kosmiska mikrovågsbakgrundstrålningen är termisk, den visar ett nästan
perfekt svartkroppsspektrum med en temperatur av 2,73 K men har mycket
små avvikelser från jämnhet, ca 1 del på 100 000. Den släpptes loss ca 380
000 år efter Big Bang när universum var omkring 3000 K varmt och blev
genomskinligt för ljus. Det då röda ljusets fotoner har sedan dess varit på
väg genom Universum och ”sträckts ut” till för ögat osynliga
mikrovågsvåglängder (mm) av rummets expansion
Ω o:
De mycket små avvikelsernas storlekar (vinkel på himlen) visar att Ωo är
väldigt nära 1.01±0.02 och alltså att rymden är ”platt” och inte krökt.
Universums geometri, Ωo, beror på hur mycket materia och energi det
innehåller. Densitetsparametern definieras: Ωo = ρmedel/ρkritisk och anger
medeldensiteten i universum i förhållande till den kritiska. Anger
universums framtida öde.
1) Ωo< 1: Evig expansion
2) Ωo= 1: Marginell (asymptotisk) expansion (expansionshastigheten når
värdet noll då tiden når oändligheten).
3) Ωo> 1: Expansionen vänds till kontraktion. Leder till en s.k. ”Big
Crunch”.
Uppmätt värde idag alltså: Ωo= 1.02±0.02 (osäkerheten är alltså 2%) och vi
finner alltså att universum är ”platt”
Tre mätbara storheter: Ho, qo, Ωo (sid. 244, 249)
(Deras värden varierar litet hela tiden när nya mätningar vägs in. Du hittar
säkert litet olika data om du letar på olika platser)
qo:
Decelerationsparametern mäter den eventuella ändringen av universums
expansion, d.v.s. hur Ho ändrar sig med tiden. Dess värde avgör universums
framtida öde
Universums mörka energi (sid. 253) (approximativa siffror)
Den totala materiedensiteten (främst mörk materia) i universum mäts till ρm=
26 10-28 kgm-3
Den kritiska densiteten har värdet ρkritisk= 89 10-28 kgm-3 (om Ho= 67 kms1Mpc-1)
Detta ger densitetsparametern för materien Ωmateria= 0,31 (varav den vanliga
materien som vi, planeter, stjärnor, gas och stoft består av, baryoner, bara
har Ωbaryon =0,049)
D v s materia, inklusive mörk materia och strålning utgör endast knappt 1/3
av den totala energimängden i universum. Vad består resten av? Detta har
skapat begreppet:
Mörk energi, något som motverkar gravitationen och blåser upp Universum
Den totala densitetsparametern blir då: Ωo= Ωmateria+ΩΛ . Vad innebär ΩΛ
fysikaliskt? Begreppet ”vakuumenergi” har införts. Det vi kallar vakuum
innehåller energi...
Accelererande universum (sid. 254)
Nya avståndsmätningar m.h.a. supernovor av typ Ia antyder att galaxerna är
mer avlägsna än man tidigare trott. Universums expansionshastighet är då
högre idag än den var tidigare och vi tycks leva i ett accelererande (platt)
universum.
Mätningar tyder på att:
Ωmateria= 0,31, Ωo= 1,00 och följaktligen ΩΛ= 0,69
Ur dessa värden kan ett nytt qo beräknas och det blir negativt: qo= -0,54
vilket innebär ett (platt) universum som fortsätter att expandera fortare och
fortare
Universums utveckling med tiden Bild 11.11
Universums beståndsdelar i jämna siffror
Ca 75% mörk energi
Ca 25% materia, varav
Ca 5% “vanlig” = stjärnor, gas & strålning
−
Och resten, ca 20%, mörk materia
Fyra viktiga stöd för att universum är sprunget ur ett hett Big Bang
1. Universum expanderar (sid. 244)
2. Den kosmiska mikrovågsbakgrundstrålningen med en
temperatur av ≈ 2,73 Kelvin IDAG (sid. 256)
3.
Den URSPRUNGLIGA heliumhalten (2He4) i universum
var ≈ 24% (sid. 261)
4.
Olika kosmokronometrar ger universums ålder till ≈ 12-14
miljarder år (sid. 264). Inga kända stjärnor är äldre än Big Bang
2. Andra stödet: Kosmiska mikrovågsbakgrundstrålningen (sid. 256)
Om man går bakåt i tiden måste materia och strålning varit mer
sammanpackade, d.v.s. tätare
Vid en given tidpunkt var materia och strålning ”oändligt tätt sammanpackade”. Detta gällde vid tiden för Big Bang d.v.s. för ca 13,7 miljarder år sedan
Detta tillstånd kallas en singularitet och det kan dagens fysik inte hantera,
men efter efter tiden bara 10-35 s kan man börja använda en del fysik
I naturen (termodynamik) finns ett samband mellan: temperatur (T), energi
(E), volym, densitet (täthet) (ρ). När Universum expanderar kallnar det
Tiden för rekombinationen
När strålningstemperaturen var högre än ≈ 3000 K var universum mest
joniserat. Sedan blev universum neutralt. Ett joniserat universum har
mycket stark kontinuerlig absorption och är därför ogenomskinligt. Men
ett neutralt universum (H & He) absorberar bara i några absorptionslinjer
och är därför nästan helt genomskinligt
Vid rekombinationen gällde:
t≈ 380 000 år efter Big Bang.
z≈ 1100 (rödförskjutningen)
Denna strålning borde finnas som en rest idag. Den borde vara isotrop, d.v.s.
nå oss från alla riktningar på himlen. Den förutsades 1948.
Däremot har strålningstemperaturen minskat eftersom universum
expanderat: Sedan rekombinationen har universum vuxit 1100 gånger.
3000 K / 1100 = 2,73 K, mikrovågsbakgrundens svartkroppstemperatur idag
Strålningen kallas den kosmiska mikrovågbakgrundsstrålningen.
Observerades av Penzias och Wilson 1965 (Nobelpris 1967)
För att strukturer som galaxer och galaxhopar ska kunna bildas måste den
kosmiska bakgrundstrålningen visa (en liten) temperaturvariation=
densitetsvariation
Denna påvisades av COBE-satelliten (Cosmic Background Explorer) 1991
Temperaturfluktuationerna var av storleksordningen en hundratusendels
grad!
Nya stöd för att vi lever i ett platt universum har erhållits med hjälp av
ballongexperiment (BOOMERANG och MAXIMA), Bild 11.14.
Resultaten bekräftades av satelliten WMAP (2002), senast Planck (2013).
Fyra viktiga stöd för att universum är sprunget ur ett hett Big Bang
1. Universum expanderar (sid. 244).
2. Den kosmiska mikrovågsbakgrundstrålningen med en temperatur av ≈
2,73 Kelvin IDAG (sid. 256).
3.
Den URSPRUNGLIGA heliumhalten (2He4) i universum var
≈ 24% (sid. 261)
4. Olika kosmokronometrar ger universums ålder till ≈ 12-15 miljarder
år (sid. 264).
3. Tredje stödet: Hur bildades helium (2He4)? (sid. 261)
Innan helium kan bildas måste protoner (p) och neutroner (n) bildas av
kvarkar i den svalnande ”ursoppan”. Därefter bildas de lättaste
grundämnena, vanligt väte = p (+ 1 elektron):
Deuterium (1H2 alt. D)
(1 proton + 1 neutron)
Tritium (1H3 alt. T)
(1 proton+ 2 neutroner. Sönderfaller)
2He3 (helium-3)
(2 protoner+ 1 neutron)
(helium)
2He4
(2 protoner+ 2 neutroner)
3Li7 (litium)
(3 protoner+ 4 neutroner) mycket små mängder
Temperatur ≈ 109 K, tid ≈ 200 sek efter Big Bang
Hur mycket helium (2He4) bildades? (sid. 262)
Om nukleosyntesen är fullständig och alla neutroner används fås
massandelen helium till ungefär 24% helium (resten väte)
Observationer av blå kompakta galaxer (de ”kemiskt” mest outvecklade) ger
som lägst 24-25%. Man finner också förväntade mängder av D och helium-3
I de äldsta stjärnorna innehåller ca 1 litiumatom för varje 1010 väteatomer
vilket är litet mindre än vad Big Bangmodellen ger. Nu verkar detta kunna
förstås som att stjärnor förstör litet litium över sin livstid. Li är ett mycket
temperaturkänsligt grundämne och litet omblandning av ytmaterial till hetare
lager (ca 2,5 milj K) stjärnor kan lätt förstöra litium: Li + p => He + He
Fyra viktiga stöd för att universum är sprunget ur ett hett Big Bang
1. Universum expanderar (sid. 244).
2. Den kosmiska mikrovågsbakgrundstrålningen med en temperatur
av ≈ 2,73 Kelvin IDAG (sid. 256).
3. Den URSPRUNGLIGA heliumhalten (2He4) i universum var ≈
24% (sid. 261).
4. De äldsta stjärnorna ≈ 10-15 miljarder år (sid. 264).
4. Fjärde stödet: De äldsta stjärnorna
Kosmokronologi (sid. 264)
Bl a radioaktiva mätningar på radioaktiva tunga atomer, uran och torium,
(liknande kol-14-metoden) i de äldsta stjärnorna tyder på att de äldsta
atomerna kom till för ca 12-15 miljarder år sedan
Astrofysikaliska tidsbestämningar (Bild 11.17)
1. Teoretiska datorberäknade färg-magnituddiagram (vid 12, 14, 16 och
18 miljarder år) och jämförelser med stjärnor i klotformiga stjärnhopar
och de äldsta jättestjärnorna (med mycket små mängder metaller)
2. Visar att de har åldrar på ca 10-15 miljarder år. Vi hittar inga stjärnor
eller vita dvärgar som är äldre än 14 miljarder år inom osäkerheterna