AST1010 – En kosmisk reise Forelesning 17: Melkeveien

Innhold Melkeveiens struktur Det sorte hullet i sentrum av Melkeveien Mørk materie 2

Melkeveien sett fra jorda

4 Herschels kart over Melkeveien Merk at for Herschel er vi i sentrum. Dette fant Herschel ved å plotte stjerners posisjon i mange retninger mot lysstyrken, som han tok som en indikator på avstand.

5 Melkeveiens deler: Galactic nucleus – galaksens kjerne. Central bulge – sentral- utbulningen. Disk – galakseskiven Globular clusters – kule- hoper, finnes i haloen. Spiral arms – spiralarmer har navn etter stjernebilder. Halo – stort kuleformet område som mer enn omslutter hele galaksen.

6 Melkeveiens dimensjoner Galakseskivens diameter er ca lysår og den er 2000 lysår tykk. Sentralutbulningens diameter er 20,000 lysår og består av både populasjon I- og II- stjerner. Spiralarmene ligger i skiven og består vesentlig av populasjon I-stjerner (dvs. unge stjerner.) Kulehopene (ca. 160) finnes i galaksens halo og består av populasjon II-stjerner (gamle). Haloen har stjerner utenom kulehopene – 99% av halostjernene er frittsvevende. Melkeveien har totalt milliarder stjerner.

7 Hvor i Melkeveien er vi? Harlow Shapley benyttet RR Lyrae-variable som standard lyskilder til å måle avstanden til 69 kjente kulehoper Fant at senteret for kulehopenes fordeling ikke lå nær jorda, men 65,000 lysår unna (korrekt verdi 27,000 lysår). Identifiserte dette stedet med sentrum for galaksen

RR Lyare-variable

9 Banebevegelser i galaksen Banene til halostjerner og kulehoper ligger i alle mulige baneplan. Stjerner, skyer og hoper i skiven går i baner som ”vipper under og over skivens midtplan.

10 Utviklingshistorie – haloen Galaksen er dannet fra en roterende sky av gass som senere falt sammen til en skive i sitt eget tyngdefelt. Kulehopene og de frie halostjernene ble dannet før skiva – derfor er dette gamle stjerner med lavt metallinnhold (populasjon II). Kulehoper og halostjerner fikk baner med baneplan i alle mulige vinkler og har i tidens løp forstyrret hverandre slik at banene nå er i høy grad vilkårlige.

11 Utviklingshistorie – galakseskiva Melkeveiens skive inneholder gass og støv – nye stjerner dannes stadig. Materialet for stjernedannelse er anriket: – grunnstoffer tyngre enn helium er spredt fra supernovaer og båret med stjernevind fra kjempestjerner med karbon. Spiralarmer lages – vi kommer tilbake til dette. Stjerner dannes i løse assosiasjoner og i åpne hoper som varer høyst noen hundre millioner år. Populasjon II-stjerner krysser galakseskiven og beveger seg raskt relativt til populasjon I-stjernene, som følger hverandre i omløpet rundt Melkeveiens sentrum.

AST Melkeveien 12 Man har funnet halostjerner med ekstremt lavt metallinnhold

13 Mye gass og støv i Melkeveiens sentralplan/skive Skyer av støv og gass skygger for stjerner

AST Melkeveien 14 Kartlegging av galaksen: 21 cm radiostråling fra nøytralt hydrogen

AST Melkeveien 15 Skyer i armene skilles ved Doppler-effekten, da de har forskjellig hastighet

AST Melkeveien 16

17  M83 i synlig lys. Spiralarmene markeres klart av O- og B-stjerner og HII-områder. M83 i 21 cm-stråling. Spiralarmene er mer utydelige og diffuse enn i bildet over. 

AST Melkeveien 18

AST Melkeveien 19 Sentralområdet i galaksen

20 Sentralområdet i større detalj

AST Melkeveien 21

Sort hull i sentrum av Melkeveien Massen til sentralobjektet er ca. 4.3 millioner solmasser. Kan ikke være større enn ca. 0.3 AU (44 milloner kilometer). Den eneste type objekt som er kompakt nok, er et sort hull!

Hvordan ble det sorte hullet dannet? Alle galakser ser ut til å ha supermassive sorte hull i sentrum. Det forskes fremdeles på hvordan de ble dannet. En naturlig tanke er at utgangspunktet var et sort hull på solmasser som har vokst seg større ved å ”spise” masse. Utfordring: Kvasarer viser at sorte hull med masser rundt 1 milliard solmasser fantes allerede da universet var ca. 1 milliard år gammelt.

24 Galaktisk rotasjon Melkeveien roterer. Solas omløpstid rundt Melkeveiens sentrum er 225 x 10 6 år som gir ~10 11 M sol innenfor en avstand av 26,000 lysår fra sentrum. Fra Keplers 3. lov har man a 3 /P 2 = M(a) hvor M(a) er massen innenfor avstand a fra senteret, målt i antall solmasser. Fordelingen av synlig masse med avstand fra galaksens sentrum, M(a), kan finnes fra stjernetellinger og masse- lysstyrke-relasjonen.

25 Rød kurve: Forventning basert på synlig masse. Blå kurve: Faktisk observert rotasjonskurve.

26 Foreløpig konklusjon på masseproblemet Vår galakse inneholder store mengder masse som ikke lyser – mørk materie. 80% av massen som gir tyngdekrefter er slik mørk materie. Bare 20% av massen finnes i form av stjerner og gass. Den mørke massen strekker seg lenger ut fra Melkeveiens sentrum enn den synlige massen. Galaksens totale masse er M sol mens antallet stjerner regnes til 2-4 x

27 To typer kandidater for mørk masse Baryonisk masse: sorte hull, brune dvergstjerner, Jupiter-lignende frittsvevende planeter. Slike hypoteser kan sjekkes ved ”mikrolinsing”. Ikke-baryonisk masse: nøytrinoer, WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), axioner,…

28 Hva er ikke-baryonisk masse - en ordforklaring Vanlig materie bygges opp av protoner og nøytroner. Disse er igjen baryoner – bygget opp av tre kvarker. Ikke-baryonisk materie må være bygget opp av partikler vi ennå ikke har påvist eksperimentelt.

29 MACHO 1 -mikrolinsing Man behøver et rikt stjernefelt, for eksempel den Store Magellanske Sky som her. 1 MACHO – Massive Compact Halo Object

30 Mikrolinsing – gir en sterk økning av lysstyrken når linsen når det beste fokus. Merk at det er et kortvarig fenomen, og sjeldent. Vanskelig å observere. Der er neppe mange nok brune dverger eller andre små himmellegemer til å svare for massen.

Ingen av de kjente partiklene kan bygge opp all den mørke materien

Axioner?

LUX: Ser etter mørk materie som treffer jorda

Neste forelesning: Galakser og galaksehoper