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.
Interstellär utsläckning omvänt proportionell mot ljusets våglängd
(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)
Galaxens struktur är synlig i infrarött ljus
• Ljus med längre våglängder än synligt ljus absorberas mindre av galaxens
gasmoln och gör det möjligt att studera dess inre.
• Interstellära gasmoln värms upp av galaxens stjärnor till 90-10 K och sänder
ut infrarött ljus med lång våglängd (far-infrared) (kallat Termiskt IR). (Bild
(a), IRAS 1983).
• Stjärnorna i det inre av Vintergatan är synliga i Nära IR, d.v.s. infrarött ljus
med något kortare våglängd, där gasmolnen varken absorberar eller sänder
ut särskilt mycket ljus. (Bild (b), COBE 1990)
Vintergatans struktur
Vintergatan – en stavspiralgalax
NGC 1365, spiralgalax 56 miljoner ljusår bort i stjärnbilden Fornax
• En skiva med gas, damm och metallrika Population I-stjärnor (=
stjärnproduktion), dominerad av O- och B-stjärnor 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.
Vintergatans struktur via radiovågor
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.
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 hastighet 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 hastigheten 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
• 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!
Om det inte fanns någon materia (90%).
bortom galaxens synliga kant skulle
rotationskurvan följa den röda
streckade linjen (Kepler-rörelse).
Gravitationslinsning
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.
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
som rör sig genom galaxen.
• Vågornas gravitation pressar
samman gasmolnen de rör sig
genom → formation av O- och
B-stjärnor och H II-regioner som
lyser upp spiralarmarna
• Vågorna (= mönster) färdas saktare än
stjärnor, gas och stoft →
”trafikstockning” då gas och damm rör
sig igenom vågen och komprimeras →
stjärnformation.
• 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 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
• 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!
Stjärnan S2:s banrörelse runt Sgr A*
• 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.
• 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.
Sidorna motsvarar cirka 200 ljusår
och på natthimlen fyller regionen
upp en area motsvarande månens.
