Galakser

1. FYS 1020 V, januar 2011 Galakser Ellen K. Henriksen (basert på tidligere versjon av Trude Nilsen)

2. FYS 1020 V, januar 2011 Hubble-teleskopet ”ser” utover i universet og bakover i tiden • Infrarødt bilde av galakser, fjerne i avstand og i tid. • Bildet er del av ”the deepest portrait ever taken of the universe”. • Detteutsnittetavhimmelenersåstortsomdet du ville se gjennom et 3 meter langtsugerør! • Påfotografiertattfrajordoverflatenerdenneflekkenpåhimmelensågodtsom tom for stjerner. På Hubble Deep field-bildet ser vi hundrevisavgalakser!

3. 1980: Carl Sagani TV-serien ”Cosmos” • http://www.youtube.com/watch?v=R7n71pm0K04 (start: 3min 48 s) • “We are made of star stuff. We are a way for the Cosmos to know itself”

4. 1920-tallet:Hva er galaksene, og hvor langt borte er de? • 1800-tallet: man observerte ”tåker”, uskarpe astronomiske objekter • Shapley-Curtis-debatten: Er disse ”tåkene” relativt små, nærliggende objekter i vår egen Melkevei – eller er de ”egne universer”? • Man hadde ikke avstandsmål • 1923: Hubble fotograferte Andromedatåken og oppdaget en Cepheide-variabel stjerne. Dette gjorde det mulig å bestemme avstanden – og det avgjorde debatten: Stjernetåkene var egne galakser, ”islanduniverses”. Edwin Hubble

5. FYS 1020 V, januar 2011 Andromeda-galaksen • Vår nærmeste nabo, 2,5 millioner lysår borte • Største galakse i den lokale gruppen • Ca 1 billion (1012) stjerner • Diameter ca 220 000 lysår • Det fjerneste objektet vi kan se med det blotte øyet

6. FYS 1020 V, januar 2011 Melkeveien – vårt hjem i universet • Vi ser Melkeveien som et diffust, lysende bånd over himmelen på mørke kvelder • Ser vi på Melkeveien i retning stjernebildet Steinbukken, ser vi innover mot galaksens sentrum

7. FYS 1020 V, januar 2011 Melkeveien • Ca 200 milliarder stjerner • Ca 100 000 lysår i diamater; sola ligger ca 26 000 lysår fra sentrum • Diskosformet med kul på midten • Galacticnucleus – galaksens kjerne • Central bulge – sentralutbulningen (ca 20 000 lysår tykk) • Disk – galakseskiven (ca 2000 lysår tykk) • Globularclusters – kulehoper, finnes i haloen • Spiral arms – spiralarmer; disse har navn etter stjernebilder. • Halo – stort kuleformet område som omslutter hele galaksen

8. FYS 1020 V, januar 2011 Melkeveien forts. • Spiralarmene ligger i skiven og består av populasjon I (unge) stjerner. • Kulehopene finnes i galaksens halo og består av populasjon II (gamle) stjerner, ca 160 av dem. • Haloen har stjerner utenom kulehopene – 99% av halostjernene er frittsvevende • Galaksen inneholder store mengder støv og gass, som gjør at vi ikke ser galaksens sentrum Vår sol

9. FYS 1020 V, januar 2011 Hvordan detektere gasskyer i galaksen? • Galaksen inneholder store mengder støv og gass, som gjør at vi ikke ser galaksens sentrum • Vi kan detektere gasskyer (som hovedsakelig består av hydrogen) ut fra radiobølger som sendes ut når hydrogenatomet ”flipper” fra parallelle spinn til antiparallelle spinn.

10. FYS 1020 V, januar 2011 Hva finnes i galaksens sentrum? • En sterk røntgen-kilde i stjernebildet Skytten antas å være galaksens sentrum • Galaksens sentrum er aktivt og dynamisk, med sterke magnetfelter, ultra-varmegasskyer, og sterke røntgenkilder, IR- og positronstråling • Beregninger antyder at et objekt med ca 4 millioner solmasser befinner seg i sentrum – et supermassivt, sort hull Sagittarius A – sentrum i Melke-veien, der tunge stjerner kretser rundt et supermassivt, sort hull.

11. FYS 1020 V, januar 2011 Galaktisk rotasjon • Nær galaksens sentrum følger stjernene Keplers lover for omløpstid og banefart. MEN mot utkanten av galaksen stiger banefarten igjen (B), i motsetning til hva Keplers lover ville tilsi hvis det ikke fantes materie utenfor den synlige ytterkanten av galaksen (A). • Dette tolkes som at det finnes store mengder mørk (ikke-observert, ikke-lysende) materie i galaksens ytterkanter! • Den mørke materien finnes i galaksens halo • Hva er den mørke materien? Nøytrinoer, brune dverger, Jupiter-lignende legemer, ???

12. FYS 1020 V, januar 2011 Wikipedia: Dark matter is matter that is inferred to exist from gravitational effects on visible matter and background radiation, but is undetectable by emitted or scattered electromagnetic radiation Dark matter accounts for 23% of the mass-energy density of the observable universe. In comparison, ordinary matter accounts for only 4.6% of the mass-energy density of theobservable universe, with the remainder beingattributable to dark energy. From these figures, dark matter constitutes more than 80% of the matter in the universe, while ordinary mattermakes up less than 20%.

13. FYS 1020 V, januar 2011 Mørk materie • Vår galakse inneholder store mengder masse som ikke lyser – mørk materie (”dark matter”). • Ca 80% av massen som gir tyngdekrefter er mørk materie (ikke forveksle med ”mørk energi!). • Bare ca 20% av massen finnes i form av stjerner og gasskyer. ?

14. FYS 1020 V, januar 2011 Gravitasjonslinsing Strålingen fra en sterkt lysende punktkilde langt ute i universet kan bli avbøyd på veien til oss av massen til et tungt objekt imellom – en galakse eller en hop av galakser – eller et tungt objekt av ”mørk materie”, som et sort hull • eller en brun dverg (i så fall kalles det ”mikrolinsing”). • Slik ”mikrolinsing” er observert – men observasjonene indikerer at bare en liten brøkdel av galaksens mørke materie er i form av slike brune dverger eller ukjente, sorte hull.

15. FYS 1020 V, januar 2011 Hubbles klassifikasjon avgalakser • Spiralgalakser – vanlige spiraler og stangspiraler • Elliptiske galakser • Irregulære galakser

16. FYS 1020 V, januar 2011 Hubbles ”stemmgaffeldiagram” S= spiral, SB= stangspiral. Bokstavene a, b og c angir hvor tett armene er tvinnet opp. ”Bulken” på midten er større jo tettere armene er tvinnet opp.

17. FYS 1020 V, januar 2011 Melkeveien- spiral eller stangspiral?

18. FYS 1020 V, januar 2011 Hvordan dannes spiralarmene (I)? • Det er IKKE slik at galakse-armene er ”roterende bånd av stjerner” – da ville de tvinne seg stadig tettere (jfr fig 16-5 i læreboka) • For ”flossete” spiraler med ujevne armer antar man at armene er dannet av sjokkbølger fra supernovaeksplosjoner, som igjen har trigget ny stjernedannelse i komprimerte støv- og gasskyer – en ”selvforsterkende stjernedannelse”. Siden indre regioner roterer raskere enn ytre, ”dras” de ytre delene av en stjernedannende regionetter de indre delene, og spiralarmerdannes.

19. FYS 1020 V, januar 2011 Hvordan dannes spiralarmene (II)? • I spiraler med veldefinerte armer (”grand design spirals”) dannes spiralarmene som når en stein slippes ned i en roterende vannbolle. • Stjerner beveger seg gjennom spiralarmene (som er fortettinger, trykkbølger)når de roterer rundt galaksens sentrum • Stjernene som dannes i spiralarmene, er lyssterkeog lever kort http://en.wikipedia.org/wiki/Density_wave_theory

20. FYS 1020 V, januar 2011 Hoper og superhoper av galakser • Galaksehoper – galacticclusters • den lokale gruppen • regulære galaksehoper: sfærisk i fasong, konsentrerte mot sentrum • irregulære galaksehoper: mer vilkårlig spredning av galaksene i hopen • Superhoper – super clusters • vår lokale superhop inkluderer hoper ut til Virgohopen ~ 50 million lysår unna • Hulrom og vegger – voids and walls – de største strukturene http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi/Week_7.html “The visible large-scale structure of the universe is sponge-like, with galaxy superclusters arranged into enormous filaments and sheets that are separated by giant voids where very few if any galaxies reside”

21. FYS 1020 V, januar 2011 Utsnitt av Virgohopen litt borte fra senteret i hopen

22. FYS 1020 V, januar 2011 Galaksekollisjoner • Det er vanlig at galakser kolliderer med hverandre • Galaksekollisjoner kan gi ”starburst” – områder hvor det er sterk nydannelse av stjerner • Kolliderende galakser kan slå seg sammen, eller en større galakse kan ”spise” en mindre Hubble-teleskopet, 2006: These spiral galaxies began colliding only a few hundred million years ago. The pair represents one of the closest galactic collisions to Earth, and one of the youngest known to science.

23. FYS 1020 V, januar 2011 Mørk materie holder galaksehoper sammen • Ingen galaksehop inneholder nok synlig materie til å holdes sammen gravitasjonsmessig -- Mørk materie igjen!

24. FYS 1020 V, januar 2011 Rødforskyvning for galaksehoper indikerer at universet utvider seg Hubble, 1920-tallet: Jo større avstand, desto større rødforskyvning. Hubbles lov: Fart = H0. avstand

25. FYS 1020 V, januar 2011 Aktive galakser – radiogalakser, kvasarer, Seyfertgalakser • En kvasar (QUASi-stellAR radio source), er en elektromagnetisk kilde som har mye høyere energiproduksjon enn de mest lyssterke stjernene. En kvasar kan sende ut like mye energi som flere galakser sammenlagt. Kvasarer drives av akkresjon av materie rundt supermassive svarte hull i kjernen til fjerne galakser • Seyfertgalakser er kvasarer som sender ut høyenergisk stråling (røntgen). • Radiogalakser er aktive galakser med sterk, utstrakt radio-emisjon, generert av relativistiske jet-stråler fra den aktive kjernen.

26. FYS 1020 V, januar 2011 Kvasarer Kvasarer sender ut mer energi pr sekund enn sola sender ut på 200 år – og de stråler med denne effekten i millioner av år! Kvasarer ble oppdaget fordi de sender ut sterk stråling i radiobølgeområdet. For eksempel sender Cygnus -1 i stjernebildet Svanen ut 10 millioner ganger mer energi i radiobølgeområdet enn en hel galakse sender ut av synlig lys! Disse radiokildene fikk navnet ”Quasi-stellarradio sources” – quasars. Lignende objekter er siden observert med enorm energiutsendelse over hele det elektromagnetiske spektret (maks. i infrarødt). Disse kalles quasi-stellarobjects (QSO).

27. FYS 1020 V, januar 2011 Hvordan utforsket man kvasarer? Det viste seg at kvasarene kan variere i styrke med tidsskalaer på timer, dager, uker eller måneder. De kan ”flamme opp” i utbrudd av kort varighet. De raske variasjonene gir en pekepinn om at objektene ikke kan være store som en galakse – de må være på størrelsesskala med vårt solsystem. Kvasaren wfsj2245+0024 – merk den rødlige fargen! Når kvasarer ble observert i synlig lys, viste de meget sterk rødforskyvning, som tyder på stor avstand fra oss.

28. FYS 1020 V, januar 2011 Aktive galaksekjerner Det har vist seg at både kvasarer og visse andre lyssterke objekter befinner seg i sentrum (kjernen) av galakser, og astronomene regner med at de henter energien sin fra supermassive svarte hull. Det sorte hullet vil tiltrekke gass og støv nær galaksekjernen og samle en skive rundt seg. Akkresjonsskive og jetstråler ut fra en aktiv galaksekjerne med et sort hull i midten (modell) Friksjon mellom ulike lag av hvirvlende gass og støv varmer skiven, og den blir stadig mer varm og kompakt inn mot det sorte hullet. Dette gir stort trykk, og gassen vil ”sprute ut” den veien det er lettest å unnslippe, nemlig vinkelrett på skiven.

29. FYS 1020 V, januar 2011 De fleste kvasarer vi kjenner, er dannet mellom 2 og 7 mrd år etter Big Bang Når supermassive sorte hull er unge, er de omgitt av store mengder støv og gass, som samler seg i en akkresjonsskive. Over tid vil det meste av stoffet i denne skiven enten bli oppslukt av det sorte hullet eller sprute ut i form av jetstrålervinkelrett på skiven. Når akkresjonsskiven minker i masse, blir galaksekjernen mindre aktiv. De fleste galakser i nærheten av oss er gamle (ca 13 mrd år), og har derfor ikke særlig aktive kjerner. Når vi observerer fjerne galakser, ser vi bakover i tid til en periode da disse hadde aktive kjerner. Kvasarer hører altså til en tidlig fase i de fleste galaksers liv.