Vår galax, Vintergatan

Vår plats i Vintergatan • Ca 1785 (William Herschel) till ca 1920 (Jacobus

Kapteyn): Solen i galaxens centrum, p.g.a. stjärnor jämt fördelade i Vintergatan i synligt ljus.

Herschels karta över Vintergatan med solen i centrum (1785)

• Robert Trumpler 1930: Interstellärt damm och gas absorberar och sprider ljus → interstellär utsläckning. D.v.s. ljusstyrkan avtar mer än enbart på grund av avståndet →

• Felaktig bild av Vintergatan – Solen är inte i centrum.

Den klotformiga stjärnhopen M4

• Positionsbestämning av vår plats i galaxen via lokalisering av klotformiga stjärnhopar utanför galaxskivan.

• Avståndsbestämning av klotformiga stjärnhopar med RR Lyraevariabler (Harlow Shapley) 1920 = pulserande variabelstjärnor vars pulsperiod är relaterade till luminositeten (jfr. Cepheid-variabler, Henrietta Leavitt 1912).

• Avståndsbestämning →

Klotformiga stjärnhopar spridda i en halo kring en punkt i galaxskivan ca 26000 ljusår från jorden (antas vara Vintergatans masscentrum) i riktning mot stjärnbilden Skytten.

(Far-infrared) Termiskt IR: ~30-300 μm Nära IR: ~1 μm

Svartkroppsstrålning vid temperaturen ~ 50 K har en topp vid våglängder ~ 100 μm (=100 000 nm) (Termiskt IR)

Interstellär utsläckning omvänt proportionell mot ljusets våglängd

Galaxens struktur är synlig i infrarött ljus • Ljus med längre våglängder än synligt ljus absorberas mindre av galaxens

stoftmoln vilket gör att det är möjligt att studera galaxens inre.

• Interstellära stoftmoln värms upp av galaxens stjärnor till 10 K - 90 K och sänder ut infrarött ljus med lång våglängd (far-infrared), kallat Termiskt IR, som dominerar över det infraröda ljuset från stjärnor (Bild (a), IRAS 1983).

• I Nära IR , d.v.s. infrarött ljus med något kortare våglängd, syns och dominerar stjärnorna i Vintergatan över Nära IR från stoftmoln. (Bild (b), COBE 1990)

Vintergatans struktur

Vintergatan – en stavspiralgalax

NGC 1365, spiralgalax 56 miljoner ljusår bort i stjärnbilden Fornax

Stjärnors rörelse i vintergatan

Stjärnor i skivan rör sig närmast cirkulärt. Stjärnor och klotformiga stjärnhopar i halon rör sig i elliptiska banor som är slumpmässigt orienterade.

• En skiva med gas, damm och metallrika Population I-stjärnor dominerad av O- och B-stjärnor (= stjärnproduktion) som gör den blåaktig. En diameter på 160.000 ljusår och en tjocklek på 2000 ljusår.

• Central utbuktning 6.500 ljusår i diameter med Population I och II stjärnor; gulaktig p.g.a. många röda jättar och superjättar, men frånvaro av blå O- och B-stjärnor (= ingen stjärnformation).

• En sfärisk halo med metallfattiga Population II stjärnor omger skivan. Ca 1% av dessa är samlade i klotformiga stjärnhopar, övriga är isolerade.

• Ca 200 miljarder stjärnor.

• Solen 26.000 ljusår ifrån galaxens centrum med en cirkulationstid på 220 miljoner år.

• Ett svart hål i centrum med en massa på ca 3,7 miljoner 𝑀𝑀⨀.

• Halo med mörk materia.

Neutral vätgas (H I) sänder ut radiovågor • Förutom massa och laddning har protoner och

elektroner spinn (kvantmekanisk egenskap) → magnetfält.

• Beroende på om protonens och elektronen spinn är likriktade eller motriktade har elektronen något olika energier.

• Spinn-flip-övergången mellan de två energinivåerna → atomen sänder ut radioljus med våglängden 21 cm (detekterades första gången 1951).

• Radiovågor färdas ännu bättre genom galaxen än infraröda vågor vilket gör dem väldigt användbara till att studera galaxens struktur.

Vintergatans struktur via radiovågor

Dopplerskift ger 2D-bild av Vintergatans struktur

Radiovågorna från gas i H I regioner som rör sig mot (bort från) oss har våglängder något mindre (längre) än 21cm. Dessa dopplerskift gör det möjligt att avgöra var i galaxskivan de olika gasmolnen befinner sig.

Bilden skapad utifrån mätt 21cm-strålning. Gasen är samlad i filament som indikerar att vår galax är en spiralgalax. I det svarta området på motsatta sidan av galaxcentrat rör sig all gas ungefär vinkelrätt mot oss → lokalisering med dopplerskift ej möjligt.

• Studier av andra spiralgalaxer i olika våglängder visar att gasmolnen och de ljusstarka typ O- och B-stjärnorna är samlade i spiralarmarna medan övriga stjärnor är mer likformigt utspridda i galaxskivan. O- och B-stjärnornas relativa korta livslängd visar att det pågår aktiv stjärnformation i spiralarmarna.

• Spiralarmarna är bara ca 5% tätare än den övriga galaxskivan men eftersom O- och B-stjärnorna där är så ljusstarka lyser de mycket starkare än resten av galaxen.

• Kallare stjärnor sänder ut mer infrarött ljus. I dessa våglängder är spiralarmarna mindre framträdande vilket indikerar att äldre, kallare stjärnor är mer likformigt utspridda.

Vintergatans spiralarmar

Stjärnornas rörelse i galaxskivan

• Dopplerskiften av objekt utanför galaxskivan gör det möjligt att mäta solens banhastighet till 790.000 km/h vilket ger en omloppstid för solen runt galaxen på cirka 220 miljoner år.

• Kepler’s tredje lag → totala massan innanför solen bana = 90 miljarder solmassor.

• Mätningar av stjärnors och främst gasmolns rörelse runt det galaktiska centrat visar att de rör sig med en nästan konstant fart längs hela galaxskivan (bild a). Om det mesta av massan hade varit samlad i galaxens centrum och inre skiva som observationer av synlig materia (gas, stjärnor) indikerar hade man istället väntat sig att farten skulle avta med avståndet från centrum (bild c).

• Det verkar finnas mycket mer materia i galaxen än vad vi kan se!

Galaxens massa domineras av mörk materia

Om det inte fanns någon materia bortom galaxens synliga kant skulle rotationskurvan följa den röda streckade linjen (Kepler-rörelse).

• Mörk materia sänder inte ut och absorberar inte något ljus = osynlig materia, såvitt vi vet.

• Stjärnor, damm och gas utgör endast 10% av galaxens massa. Nästan all massa är i form av mörk materia!

Mörk materia

• Observationer tyder på att den mörka materien är fördelad i en sfärisk halo med galaxkärnan som centrum.

• Diameter 2-4 ggr större än skivans diameter.

• Motsvarande massfördelning gäller typiskt för alla galaxer.

Gravitationslinsning tillåter oss att se det som inte kan ses

Mörk materia är inte “mörka nebulosor” eller “mörk energi”

• Mörk energi medför universums accelererade expansion (behandlas senare). Något helt annat än mörk materia. Verkar vara ännu svårare att förklara än mörk materia.

• “Mörka nebulosor” består av vanlig materia. De är mörka eftersom de är kalla och inte sänder ut

något synligt ljus. De absorberar däremot ljus från stjärnor och skymmer

därför sikten mot stjärnor som ligger bakom dem. De har alltså inget att göra med mörk (= osynlig)

materia, som varken sänder ut eller absorberar ljus.

• Återigen: Det är okänt vad mörk materia består av, men det finns många idéer!

• Massive compact halo objects = MACHOs? (Räcker inte.)

• Neutriner? (Kan inte klumpa ihop sig.)

• Weakly Interacting Massive Particles = WIMPs?

• Fel på våra ”gravitationslagar” = ingen mörk materia?

Teorier för galaxens spiralstruktur

Problem (Bertil Lindblad): Spiralarmarna kan inte bestå av rigida strukturer på grund av differentierad rotation i galaxen.

Två teorier för bildandet av spiralstrukturer i galaxer

• 1. Enligt täthetsvåg-teorin skapas

spiralarmarna av densitetsvågor (täthetsvågor) som rör sig genom galaxen.

• Vågorna (= mönster) färdas saktare än stjärnor, gas och stoft → ”trafikstockning” då gas och damm rör sig igenom vågen och komprimeras → stjärnformation av typ O- och B-stjärnor med H II-regioner som lyser upp spiralarmarna.

• Heta typ O- och B-stjärnor skapas i armen med en livstid 3-15 miljoner år → relativt kort förflyttning från spiralarmen innan de dör; mindre stjärnor lever längre och sprider ut sig över hela galaxen.

• Liksom för vanliga ljudvågor bör täthetsvågorna i galaxen dö ut. Detta har inte hänt → energi måste

tillföras på något sätt. Källa gravitation: Antingen från den

stavformade galaxkärnan eller från andra galaxer.

2. Självpropagerande stjärnformation kan bilda spiralarmar

Täthetsvågor skapar markerade spiralarmar. En del galaxer har dock oskarpa dåligt markerade spiralarmar (bild till höger). Modell: Självutbredande stjärnformation; stjärnor föds först i ett interstellärt stoftmoln, när massiva stjärnor sedan dör skapas det chockvågor → ytterligare stjärnformation. Spiralstrukturen i denna process följer enbart av stjärnornas rörelse runt galaxen (differentierad rotation) → spiralarmar uppstår och försvinner på en tidsskala av miljoner år.

Det svarta hålet i Vintergatans mitt

Stjärnbilden Skytten

http://www.aenigmatis.com/astronomy/find/sagittarius.htm

Vintergatans centrum

I Vintergatans centrum ligger Sagittarius A* (“Sgr A-stjärna”, Skytten); en stark radiokälla. I dess omgivning finns det massor av stjärnor: fig c) hundratals stjärnor inom ett ljusår. Jämför med medelavståndet mellan stjärnor i Vintergatan som är drygt ett ljusår.

Sgr A* är ett supermassivt svart hål

Stjärnan S2:s banrörelse runt Sgr A*

• Man kan inte se Sgr A* direkt men man kan studera hur närbelägna stjärnor rör sig kring Sgr A*.

• År 2002 observerades stjärnan S2 i dess elliptiska bana runt Sgr A*. Den passerade Sgr A* på ett avstånd på bara 120 AU (3 ggr avståndet mellan solen och Pluto) och när den var som närmast var banhastigheten 5000 km/s (2% av ljushastigheten!).

• Sgr A*:s massa kan beräknas från rörelsen av S2 med hjälp av Kepler’s tredje lag: 3.7 miljoner solmassor!

• Med hjälp av rymdteleskopet Chandra har man observerat ljusstarka röntgenutbrott från Sgr A* som varat ca 10 min → källan maximalt 10 ljusminuter stor = 1,2 AU. Endast ett supermassivt svart hål kan packa 3,7 miljoner solmassor i en så liten volym.

• Utbrotten runt Sgr A* är ändå relativt små mot vad man kan förvänta sig av ett svart hål av den storleken.

• På bilden tagen av Chandra (i falska färger) ser man två lober av het gas (i rött) med en temperatur på upp till 20 miljoner K som sträcker sig tiotals ljusår från Sgr A*. Dessa tros vara skapade av kraftiga explosioner som ägt rum “nyligen”, de senaste tusen åren. Detta kanske också kan förklara varför det “just nu” är förhållandevis lugnt runt Sgr A*, då mycket material kan ha blåsts bort av explosionerna.

Sidorna motsvarar cirka 200 ljusår och på natthimlen fyller regionen upp en area motsvarande månens.

• Sgr A* tillhör bland de starkaste radioobjekten på natthimlen.

• På bilden syns långa filament av gas som formats av Sgr A*:s starka magnetfält. Mycket av strålningen från Sgr A* är i form av synkrotronstrålning.

Vår galax, VintergatanVår plats i VintergatanSlide Number 3Slide Number 4Slide Number 5Slide Number 6Slide Number 7Slide Number 8Slide Number 9Slide Number 10Vintergatans strukturSlide Number 12Slide Number 13Slide Number 14Slide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Vintergatans struktur via radiovågor�Slide Number 19Dopplerskift ger 2D-bild av Vintergatans strukturSlide Number 21Vintergatans spiralarmarSlide Number 23Stjärnornas rörelse i galaxskivanGalaxens massa domineras av mörk materia�Mörk materiaGravitationslinsning tillåter oss att se det som inte kan ses�Slide Number 28Mörk materia är inte “mörka nebulosor” eller “mörk energi”Slide Number 30Teorier för galaxens spiralstrukturTvå teorier för bildandet av�spiralstrukturer i galaxerSlide Number 332. Självpropagerande stjärnformation kan bilda spiralarmarSlide Number 35Det svarta hålet i Vintergatans mittSlide Number 37Slide Number 38Vintergatans centrumSgr A* är ett supermassivt svart hålSlide Number 41Slide Number 42