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 106 – 5 1012 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 201410-21)
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/r2) 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:
36
•Seyfertgalaxer (Lkärna≈ 10 - 1038 W, LVG≈ 1036 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≈ 1036- 1038 samma som Seyfertgalaxerna)
Emitterar icke-termisk strålning
Inget märkbart gasinnehåll (inga emissionslinjer i spektrum från kärnan),
kontinuumstrålning dominerar
Varierar i ljusstyrka
•Radiogalaxer (Lkärna≈ 1036- 1038 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≈1038- 1042 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! vilket är ca 5% av
galaxens massa
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
