Side 7-1 Kapitel 7. Mælkevejen 7.1. Introduktion I dette kapitel vil vi gennemgå opbygningen af vore egen galakse Mælkevejen. En galakse er en enorm samling af stjerner, der fortrinsvist er gravitationelt bundne; det vil sige at gravitationskraften holder stjernerne bundet fast til systemet. En galakse kan indeholde mellem ca. 1 milliard og en billion stjerner, og formen på galakser kan være ganske varierende. Nogle galakser er runde som en bold, andre er prolate eller oblate. (En prolat figur kunne for eksempel ligne en rugbybold, og en oblat figur kunne ligne en rugbybold, som man sidder på.) Atter andre ser helt irregulære ud. Først vil vi se på vores egen Mælkevej i detaljer, og derefter vil andre galakser blive beskrevet. 7.2. Mælkevejens opbygning Figur 7.1. Andromedagalaksen, M31. Galaksen er 0,61Mpc væk fra Mælkevejen, og den er ca. dobbelt så stor. Strukturen er dog nogenlunde den samme. Galaksen klassificeres som en Sb-galakse. (Se afsnit 7.4.) Bemærk de omkredsende dværgelliptiske galakser. (Kilde: http://zebu.uoregon.edu/images/.) Mælkevejen er en såkaldt spiralgalakse, dvs. den ser cirka ud som på figur 7.1. Den består af en skive, en kerne, en halopopulation samt en fordeling af såkaldt mørkt stof. Skiven er nok den mest kendte del af Mælkevejen, da vi kan se et lille udsnit af den på nattehimmelen. På stjernekortet er den markeret som et lyseblåt bånd. Man kan se, at stjernebillederne Kusken, Perseus, Cassiopeia, Cepheus, Svanen, Ørnen og Skytten alle ligger i Mælkevejsstriben. Skivepopulationen Skiven består af 2 dele, en tyk skive og en tynd skive. Overordnet set aftager stjernetætheden fra centrum og vinkelret på skiven eksponentielt og med skalahøjder på henholdsvis ca. 1kpc (1 kpc = 3260 lysår) og 249pc. Stjernerne bevæger sig næsten i cirkelbaner rundt omkring Mælkevejens centrum og samtidig i en oscillerende bevægelse op og ned i skiven. Et omløb tager for Solens vedkommende ca. 245 Myr. Stjernetætheden for skiven som funktion af afstanden z fra skivens plan er givet som følger hvor ν er en normaliseret stjernetæthed: ν 0 ( z) = 0,959 e z / 249 pc + 0,041 e z /1000 pc ν 0 (0) Ovenfor kan man se to skalahøjder, hvor den første værdi gælder for den tynde del af skiven, og den anden værdi gælder for den tykke skivedel. Dvs. Mælkevejsskiven er omtrent 1000 pc tyk. Den radiale fordeling er endnu ret usikkert bestemt, men en nogenlunde modellering af den radiale fordeling ser ud som følger: ν ( R, z ) exp( z / hz,td R / hr,td )
Side 7-2 Ovenfor er R den radiale afstand fra galaksens centrum, hz, td = 1000pc og hr, td = 4 ± 1kpc. Ud fra den radiale skalahøjde, kan man se, at Mælkevejsskiven er omtrent 13-20 kpc i radius, hvilket svarer til størrelser i omegnen af 50000 lysår. Solens afstand fra centrum af galaksen er 7,8kpc. De to skiver er ikke helt ens mht. grundstofsammensætning. For den tynde skive gælder, at stjernernes grundstofsammensætning er meget lig Solens, dvs. det er population I stjerner, dog er indholdet af tungere grundstoffer stigende, jo længere man kommer ind mod kernen. Stjernernes aldre er helt fra nye stjerner til stjerner, der er ligeså gamle som Mælkevejen. (Mælkevejen er mindst 10 Gyr gammel.) Figur 7.2. Skitse af de arme, som ligger i nærheden af Solen. Kilde: http://www.ras.ucalgary.ca/cgps/where/plan/plan_basic_big.gif I den tykke skivepopulation er stjernerne primært population II stjerner, dvs. metalfattige stjerner. (Omtrent ¼ af Solens indhold af tungere grundstoffer.) Derudover er de også meget gamle. (Væsentligt ældre end Solens 4,5 milliarder år.) Det er muligt at den tykke skive er en fortsættelse af den tynde skive; hvis denne antagelse er korrekt, er det nødvendigt, at den tynde skive er blevet kraftig påvirket i en fjern fortid. Dette kunne for eksempel være i form af en stav! (Mere herom senere.) Skiven beskrives ofte som en slags linse, men hvis man ser på den ovenfra, vil man se, at der ikke er tale om en skive, men nærmere om en spiral. Mælkevejen har et uvist antal arme, som består af relativt nydannede stjerner. Det er endnu uklart, hvordan spiralarmene overhovedet kan eksistere, men der er muligvis tale om en form for stående bølge, som påvirker brintgassen i skiven, så stjerner Figur 7.3. Billede af Sombrerogalaksen, M104. Den er ca. 13Mpc væk. Bemærk hvordan støv i skiven skærmer for lyset. Bemærk også kuglehobene rundt om galaksen. Galaksen klassificeres som en Sa-galakse. (Se afsnit 7.4.) (Kilde: http://www.ls.eso.org/)
Side 7-3 dannes i en spiralagtig struktur. Vores sol ligger i Orion-Cygnus armen (opkaldt sådan fordi vi kan se Orion og Svanen [Cygnus] i denne arm), og naboarmene kaldes for Perseus- og Skyttearmen. Se figur 7.2. Vi kan jo ikke i praksis rejse væk fra skiven og betragte Mælkevejen udefra, så vi må i stedet for observere stjernerne indefra og så prøve at modellere den overordnede struktur herudfra. Dette er forbundet med store vanskeligheder. For eksempel er der meget gas og støv i skiven, og som figur 7.3 viser, absorberes meget lys fra dette materiale. Derfor er det yderst svært at se mere end nogle få 1000pc i skiven. Heldigvis kan infrarødt lys slippe forbi støvet og gassen, så derfor er det alligevel muligt at konstatere, at Mælkevejen rent faktisk er en spiralgalakse, og at den sikkert har en form, som ligner vores nabospiralgalakse Andromeda. Se figur 7.1. Kernen Figur 7.4. Mælkevejskernen set fra Jorden. Billedet er optaget med et filter, der tillader bølgelængder omkring 2,2µm at passere. Kilde: Gilmore s. 47. Omkring centeret af Mælkevejen findes en kugleformet kerne bestående af nogle hundrede millioner stjerner samt muligvis et sort hul. Dette sorte hul har en masse på 8 106Mʘ. (Se kapitel 6). Figur 7.4 viser, hvordan kernen ser ud set fra Jorden. For at kunne konstruere figur 7.4 har man observeret gigantstjerner af spektralklasse M. De er observeret i det infrarøde område ved bølgelængden 2,2µm. Observationerne tyder på, at stjernetætheden beskrives bedst ved en potensfunktion af formen ν(r) R-1,8 for R 1kpc I området 1-3kpc er det endnu ikke lykkedes at finde en forskrift for stjernetætheden. Den kemiske sammensætning tyder på, at stjernerne i kernen har et indhold af tungere grundstoffer på ca. det dobbelte af Solens. Kernen ligger i retningen af Skytten (Sagittarius), og koordinaterne er (α, δ) = (17h42m29,5s, -28 59 20.) Haloen Rundt om hele skive/kernesystemet ligger en sfærisk halo. Haloen består af en masse kuglehobe, som er kugleformede samlinger af gamle stjerner med et lille indhold af tungere grundstoffer. Stjernerne er Figur 7.5. Et billede af kuglehoben M13 i Herkules. (α, δ) = (16h gravitationelt bundne til hinanden, og en 41.7m, 36 28 ). Afstand 22.200 AU. MV = 5.7, vinkeldiameter = kuglehob er en stabil konfiguration. I en 16.6. Kilde: http://www.concentric.net/~richmann. kuglehob er der omtrent 105-107 stjerner. Fig 7.5 viser hvordan en kuglehob ser ud. Derudover er der ca. 100 gange flere feltstjerner end
Side 7-4 kuglehobe. Feltstjernerne er ensomme stjerner spredt rundt omkring galaksen. Kuglehobene er de ældste dele af Mælkevejen, dvs. de er mange milliarder år gamle, måske helt op til 15 milliarder år. Kuglehobene ligger jævnt fordelt rundt om kernen og de inddeles i 2 typer halohobe og diskhobe. Halohobene har en stjernetæthedsfordeling, der beskrives som en potensfunktion med eksponenten 3,5, og hobene deltager ikke i en rotation rundt omkring Mælkevejskernen. Inde i hobene bevæger stjernerne sig dog rundt tilfældigt mellem hinanden. Kuglehobenes indhold af tungere grundstoffer ligger væsentligt under Solens indhold. Diskhobene beskrives ved en stjernetæthedsfunktion, der er mindre stejl end for halohobene, dvs. eksponenten i loven ligger lidt tættere på 0. Derudover er indholdet af tungere grundstoffer lidt højere end for halohobene, men dog stadigvæk mindre end population I stjerner. Diskhobene deltager også i en rotation rundt om Mælkevejens centrum, selvom rotationshastigheden kun er ca. ½ år stor, som for skivestjernerne. (For Solens vedkommende er rotationshastigheden omtrent 220km/s.) Mørkt stof-haloen Rotationskurver viser, at der mangler masse i Mælkevejen. I bogen Mørkt stof gennemgås mørkt stof problematikken i detalje, så her nøjes vi med en kort gennemgang. Hvis man betragter al det lys, der er på nattehimmelen, kan man, ved at antage at resten af Mælkevejen så nogenlunde minder om vores egen del, anslå hvor meget synligt stof der er i Mælkevejen. Eftersom stof (og energi) påvirker legemer med gravitationskræfter, er det muligt at beregne hvordan skivestjernernes rotationshastighed bør være. Efterfølgende målinger af stjernernes rotationshastigheder viser så, at der mangler store mængder stof. (Vi ser åbenbart kun ca. 10% af den krævede masse.) Dette mørke stof (det lyser jo ikke, for ellers kunne vi se det) er umuligt at måle på, da vi kun kan observere os frem, og derfor er det vanskeligt at finde ud af, hvad det består af. Teorier peger på, at det kunne være neutrinoer (som øjensynligt har en lille masse), brune dværge, planeter, WIMPs1 eller almindeligt neutralt brintgas. Fordelingen af stoffet rundt om Mælkevejen er sandsynligvis oblat, dvs. det kan beskrives som en triaxial fordeling. Strukturen af Mælkevejen Figur 7.6a. Det inderste af Mælkevejen med kerne og kolde støv- og gasskyer. Billedet er taget af COBE satellitten i det infrarøde område. Herved ser vi lys, som ikke spredes på støvet i skiven. Kilde: http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/image/ cobe_milkyw.gif. Figur 7.6b. Skematisk oversigt af Mælkevejen. Kilde: www.physics.uc.edu/~hanson/astro/l ECTURENOTES/MW/ Hvis vi sammenkæder alle oplysningerne ovenfor, kan vi nu opstille en model for, hvordan Mælkevejen i øjeblikket ser ud. Se modellen på figur 7.6b. Galaksen er på overfladen rimeligt enkelt struktureret, men i detaljen er den en uhyre indviklet størrelse. Derfor forskes der også 1 WIMP betyder Weakly Interacting Massive Particle.
Side 7-5 intenst i galakser disciplinen hedder galaktisk dynamik, og med de til stadighed forbedrede observationsbetingelser samt computerfaciliteter, vil udviklingen mod en større forståelse af Mælkevejen og andre galakser forhåbentlig gå hurtigere og hurtigere. Man kan sammenfatte nogle størrelser for Mælkevejen og sammenligne dem med vores nærmeste spiralnabo Andromeda. Se tabel 7.1. Kernen Luminositet, Lʘ, B Luminositet. (Brøkdel af totalen.) Effektive radius (kpc) Akseforhold (b/a) Antal kuglehobe Disken Luminositet, Lʘ, B Skalalængde, kpc. B-V HI-gasindhold, Mʘ. Rotationshastighed, km/s IRAS infrarød luminositet, Lʘ. M31 (Andromeda) Mælkevejen 7,7 109 25% 2,2 0,57 400-500 2 109 12% 2,7 0,85 160-200 2,4 1010 6,4 0,76 3 109 260 2,6 109 1,7 1010 5,0 0,85 4 109 220 1,5 1010 Tabel 7.1 (Gilmore kap. 15.) Der er et anslået et masse-lysstyrkeforhold på 5. Solens plads i Mælkevejen Som anført på side 7-2 findes Solen i skiven i en afstand af 7,8kpc. Solen udfører en cirkelbevægelse rundt om kernen med en omløbstid på 245Myr. Foruden cirkelbevægelsen bevæger den sig også i en oscillerende bevægelse op og ned i skiven. Den kombinerede bevægelse betyder, at stjernerne ikke holder en konstant indbyrdes afstand nogle gange vil stjerner komme tæt på hinanden, og dette vil muligvis betyde, at kometer og asteroider påvirkes af det ændrede gravitationsfelt. Derved kan deres banebevægelser ændres, og de kan blive slynget mod den nærmeste af stjernerne. Man får en såkaldt kometstorm. Det øgede indfald af kometer kombineret med Jordens tætte placering ved Solen kan give øget risiko for komet- eller asteroidenedslag på Jorden, hvilket igen betyder noget for livet på Jorden. Figur 7.7. Billede af skiven omkring β Pic. En skive som kan ende med planeter. Billedet er taget med HST s WFPC 2 den 9/10-1995. Kilde: hubble.stsci.edu Fremmede planetsystemer Solen er ikke den eneste stjerne, der har kredsende planeter omkring sig det har i de senere år vist sig, at der er planeter omkring mange stjerner. Således er der pr. maj 2000 fundet planeter i over 32 stjernesystemer. (Sky & Telescope, juni 2000.) Hidtil har vi kun fundet planeter i størrelser sammenlignelige med Saturn og Jupiter med afstande fra stjernen svarende til Merkurs. Stenplaneter er endnu ikke observeret.
Side 7-6 Grunden til, at vi ikke har observeret (små) stenplaneter, er, at vi ikke observerer planeterne direkte det er de simpelthen for lyssvage til. I stedet for måles på lyset, som stjernen udsender. Hvis stjernen påvirkes gravitationelt af planeter, vil den blive tvunget ind i en bevægelse om planeternes og stjernens fælles tyngdepunkt. Hvis stjernen bevæger sig radialt i forhold til en sigtelinie fra Jorden, vil vi på grund af Doppler-effekten kunne se ændringer i det spektrum, som stjernen laver. Med passende modeller kan man så regne sig frem til, hvor tunge og hvor langt væk de omkredsende planeter er. Det er kun de allerstørste af planeterne og samtidig de, som er tæt på stjernen, der rykker tilstrækkeligt i stjernen til, at vi kan se en ændring i spektrene, så der er muligvis masser af stenplaneter som vores egen ude omkring de andre stjerner vi kan med vore observationsbetingelser bare ikke opdage dem endnu. 7.3. Mælkevejens udvikling dannelse og Figur 7.8. Ved at tolke ovenstående grafer kan man beregne sig frem til planeters tilstedeværelse, deres masse og afstand fra stjernen. Man kan forklare de målte punkter ved at antage at en planet med perioden 15,83 døgn, m=4,9 M, e=0,05 og r=0,11au kredser om stjernen. Kilde: www.eso.org. Det er ganske indviklet at beregne hvordan en galakse dannes. Eftersom vi lige nu øjensynlig ikke kan se galakser i dannelsesprocessen (proto-galakser), er der kun teoretiske modeller at forlade sig på. Disse teorier er numeriske og dermed ret indviklede at forstå. Derfor vil det nedenstående også blive ganske ufuldstændigt. Begyndelsen En galakse dannes af en gigantisk gassky med en masse på ofte flere hundrede milliarder solmasser. Hvis gassens massefylde er stor nok, og den samtidig er kold nok, kan gasmolekylernes bevægelse ikke holde gassen i ligevægt, og skyen vil pga. gravitationskraften kollapse. Det viser sig, at en gassky skal have en masse, Jeansmassen, for at være i stand til at kollapse. Jeansmassen er givet ved følgende udtryk: M J = 10 2 T 1,5 n ½ M Sol Hvor MJ er Jeansmassen, T er temperaturen af gassen målt i Kelvin, n er antalstætheden målt i antal partikler pr. cm3 og MSol=1,989 1030kg. Temperaturen ligger i omegnen af 104K og antalstætheden er af størrelsesordenen 10cm-3. Eksempel: En gassky med en antalstæthed på 1 partikel pr. cm3 og temperaturen 106K giver en Jeansmasse på 1011Mʘ, hvilket i øvrigt er omtrent halvdelen af Mælkevejens masse. Modeller antyder, at Mælkevejen er dannet på følgende måde: 1. Først var der en gigantisk svagt roterende gassky med temperatur og tæthed som angivet i eksemplet ovenfor. Gasskyen var ikke helt homogen. Tætheden var altså større i nogle områder
2. 3. 4. 5. Side 7-7 end i andre. Tætheden aftog sikkert også væk fra centrum. Gasskyen tænkes at have fået sin rotation ved at vekselvirke via tidevandskræfter2 med andre gasskyer i Universets barndom. Muligvis kollapsede små gasskyer i den store protogalakse, før hele protogalaksen kollapsede. Kernens stjerner var altså dannet før disken. (Pga. gasindstrømning til kernen, har der været kraftig stjernedannelse herinde siden.) Derefter kollapsede protogalaksen, dvs. den store gassky. Under kollapset blev halostjernerne (kuglehobene) dannet. De er altså af samme alder som galaksen, og de deltager kun svagt i galaksens rotation. Dette kollaps tog i størrelsesordenen ~108 år. Under kollapset blev gas spredt ud i en skive. Denne gas er en anelse mere rig på tungere grundstoffer end haloen, fordi der under kollapsfasen blev dannet store stjerner, som døde efter få millioner år. (Se kapitel 6 for en gennemgang af stjerners liv.) I skiven har der lige siden været en kraftig stjernedannelse. Stjernerne dannes sandsynligvis af en form for densitetsbølge, der skubber til gasskyer i skiven, og derefter kollapser gasskyerne under dannelse af stjerner. Det er ikke alle galakser, der dannes på ovenstående måde. Nogle (store) galakser dannes ved at sammensmelte forskellige galakser. Denne metode kaldes merging. I næste afsnit vil vi se på forskellige typer galakser og deres mulige dannelseshistorie. 7.4. Andre galakser Spiral- og ellipsoidiske samt irregulære galakser Der findes mange milliarder galakser og de er inddelt i 2 hovedtyper: Spiralgalakser og ellipsoidiske galakser. Mælkevejen er som forklaret i afsnit 7.2 en spiralgalakse. Spiralgalakserne inddeles i forskellige typer: Sa, Sb, Sc, Sd Sa er galakser med tæt vundne spiraler se figur 7.3 og 7.9, og Sd er galakser med løst vundne spiraler. Tætheden af kernerne følger også bogstavbetegnelsen ovenfor. Således kaldes galakser med en stor kerne i forhold til spiralstrukturen for Sa-galakser, og galakser med en lille kerne kaldes for Sd-galakser. Det er altså ikke nødvendigt at se en galakse ovenfra for at være i stand til at klassificere den. Nogle galakser har en stav igennem sig, og disse galakser anføres som SBa-SBd. Mælkevejen er sandsynligvis en Sb-galakse. Endelig forekommer der spiralgalakser uden spiral-arme. De kaldes for S0-galakser. Den tæthedsbølge, der er årsag til den kraftige stjernedannelse i skiven er muligvis forsvundet pga. påvirkninger fra nærtliggende galakser. Derved er spiralgalaksen struktur bevaret på nær i skiven, hvor armene er blevet rykket i stykker. 2 Tidevandskræfter er gravitationskræfter. For eksempel vil et menneske mærke en aftagende tyngdekraft, des længere væk fra Jorden, det bevæger sig. Men kraften vil føles konstant over hele kroppen. Dette skyldes at mennesket er meget mindre end Jorden. Hvis 2 legemer derimod er sammenlignelige i størrelse, vil de ikke påvirke hinanden med den samme gravitationskraft overalt. Forskellige områder mærker forskellige gravitationskræfter, og derved påvirkes legemerne forskelligt.
Side 7-8 De ellipsoidiske galakser findes fra helt sfæriske (kuglerunde) til stærkt elongerede galakser. Se En S0- samt en Sc-galakse. (NGC5091/5090.) I Centaurus. Feltet er 90x90 2 Billederne er taget af VLT 29/3-1999. NGC613 som er en SBc galakse. Kilde: www.astronomy.ohiostate.edu/~eskridge Figur 7.9. Billede af 3 typer galakser. figur 7.10. De mest elongerede ligner nærmest rugbybolde, som man sidder på. Det er altså treaksede legemer. Disse galakser inddeles i rækkefølgen E0-E7 Hvor E0 svarer til de helt kuglerunde galakser og E7 er de mest elongerede. Tallet foran E et i klassifikationen ovenfor kan beregnes ved følgende formel: n = 10 (1-b/a) hvor n er tallet, b er galaksens halve lilleakse og a er galaksens halve storakse. Bemærk, at man ikke umiddelbart kan aflæse om galakserne er 3-aksede, da vi jo ser galaksen fra en eller anden side, men teoretiske modeller kan også fortælle os lidt om formen. Hvis galaksen er meget lille kaldes den for en dværggalakse og den betegnes som ovenfor, nu bare med et d foran. For eksempel vil en sfærisk symmetrisk dværggalakse benævnes de0. I Andromedagalaksen kan man se et par dværggalakser, der er ved at sammensmelte med Andromeda. (Se figur 7.1.) De galakser som ikke passer ind i de to ovenstående klassifikationer kaldes under et for irregulære galakser. Et eksempel på irregulære galakser kan se på figur 7.11. Det er de 2 magellanske skyer, som man kan se med det blotte øje, hvis man befinder sig på den sydlige halvkugle.
Side 7-9 En optælling på himmelen over de forskellige galakser viser, at der er 61% spiralgalakser, 22 % S0galakser, 13% ellipsoidiske galakser og 4% irregulære galakser. a) En E1-galakse. (M87.) Kilde: seds.lpl.arizona.edu/messier b) En E4-galakse. (M59.) Den klassificeres dog nogle gange som E3 eller E5. Kilde: smv.org/hastings. c) En E6 galakse. Kilde: star2me.hihome.com /m101_110.html Figur 7.10. Ellipsoidiske galakser. Dannelsen af de forskellige typer galakser Spiralgalakser Det er nærliggende at antage at alle spiralgalakser er dannet nogenlunde som beskrevet i afsnit 7.3. De findes overalt i Universet også langt fra andre galakser, og derfor må man antage, at de kan dannes uafhængigt af andre galakser. Ellipsoidiske galakser Hvis man betragter optællingen ovenfor, ser man, at der ikke er nær så mange ellipsoidiske galakser som spiralgalakser. Da ellipsoidiske galakser kun findes i galaksehobe eller i sammenhæng med andre galakser, er det nærliggende at antage, at disse galakser dannes ved merging af andre galakser. Faktisk findes der i centrum af flere hobe, enorme ellipsoidiske galakser indeholdende flere billioner solmasser. De er åbenlyst dannet ved merging. Computermodeller viser også, at ellipsoidiske galakser, der merges, ender som ellipsoidiske galakser. Se bilag 1 3 på side 18-20. Modeller viser dog også, at med de rette begyndelsesbetingelser kan der dannes ellipsoidiske galakser ved ren sammentrækning. Dværgellipsoiderne er måske dannet sådant. Man kan måske formode at de store ellipsoider ikke kan dannes på den måde, fordi de enorme gasskyer, der skal til at danne store E-galakser nærmest altid roterer og derfor ender med at danne spiralgalakser. Irregulære galakser De magellanske skyer LMC (Large Magellanic Cloud) og SMC (Small Magellanic Cloud) var oprindeligt nok en dværg-spiralgalakse og en dværg-ellipsoidisk galakse. Da de ligger tæt på Mælkevejen (ca. 700000 lysår) har de muligvis passeret igennem Mælkevejen nogle gange, og disse passager har ændret så meget i galaksernes struktur, at de nu kaldes for irregulære galakser. Det er også muligt at tidevandskræfterne fra Mælkevejen har været kraftige nok til at ændre på galaksernes form. Se figur 7.11.
Side 7-10 SMC LMC Figur 7.11. Den store magellanske sky (LMC) samt den lille magellanske sky. (SMC.) Kilde: www.eso.org. 7.5. Galaksers udvikling og deres storskalastruktur Nedenfor vil galaksers udvikling og storskalastruktur kun blive beskrevet kursorisk. Læseren opfordres til selv at søge oplysende artikler i litteraturen. En galakse er ikke et statisk system. Galaksen ændres konstant fordi 1. der konstant dannes/forsvinder stjerner 2. galakser påvirker hinanden gravitationelt uden kollision 3. galakser kolliderer Stjernedannelsen sker gennem det meste af galaksens liv, såfremt de interstellare tåger kan påvirkes til at trække sig sammen. Det kan for eksempel ske ved påvirkning fra en supernova eller ved at tåger rammer ind i hinanden. Noget, der især kan generere stjernedannelse, er, hvis to galakser glider sammen. På figur 7.12 er vist en simulering af, hvordan Mælkevejens og Andromedas skæbne kommer til at se ud om ca. 5 milliarder år. I simuleringen har man ikke taget højde for den ekstra stjernedannelse, men det er tydeligt at se, at de to spiralgalakser ikke længere har en veldefineret form. Den sammensmeltede galakse er nu blevet en ellipsoidisk galakse med nogle lysende arme, som stikker ud. Armene vil med tiden forsvinde. Dette fænomen er ganske almindeligt i Universet. Gravitationskraften trækker galakser mod hinanden og mange af disse gravitationelt bundne galakser ender med opsluge hinanden. Stjernerne i de kolliderende galakser kommer ikke nødvendigvis til at ramme hinanden, da der er enorme tomme områder i galakserne, men gasskyer i galakserne vil blive påvirket, og dermed vil der ske kraftig stjernedannelse. Hvis galakserne har store indbyrdes afstande, kan den kosmologiske udvidelse forhindre at galakserne nogensinde når hinanden dette fænomen er kendt fra målinger af galaksers rødforskydning. (En observatør vil se et rødforskudt spektrum fra et objekt, der bevæger sig væk fra observatøren.)
Side 7-11 Figur 7.12. En simuleret kollision mellem Andromeda og Mælkevejen. Kilde: www.physics.uc.edu/~hanson/astro/lecturenotes/mw Galaksehobe De galakser, som er tilstrækkeligt tætte på hinanden, vil bevæge sig mod hinanden. Derfor ender galakser tit op i store hobe. Disse hobe er igen samlet i superhobe, og superhobene påvirker naturligvis også hinanden. Derfor har Universet en bestemt cellelignende struktur. Se figur 7.137.15.
Side 7-12 Figur 7.13. Den lokale hob. Kilde: www.physics.uc.edu/~hanson/astro/lectu RENOTES/MW Figur 7.14. Den lokale hob ligger i udkanten af Virgohoben. Vores hob bevæger sig med ca. 100km/s imod Virgo-hoben. Kilde som under fig. 7.13. Figur 7.15. Den lokale gruppe af galakse hobe. Kilde som under figur 7.13.
Side 7-13 7.6. Liv i Universet Hvorfor overhovedet stille spørgsmålet om liv i Universet? Mennesker overalt fra alle kulturer og religioner stiller sig selv spørgsmålet om, der findes liv andre steder end på Jorden. Som nedenstående argumenter antyder, spiller det ikke nogen større rolle om man er religiøs eller ej for at kunne svare ja til spørgsmålet om, der er liv andre steder i Universet. Hvis man antager, at livet er blevet dannet ved en tilfældighed, kan man også antage, at livet er dannet i andre stjernesystemer. Bare mulighederne er til stede, skulle livet kunne udvikle sig. Da der alene i Mælkevejen er milliarder af stjerner, der er tilstrækkeligt isolerede til at have stabile planetsystemer, og da der findes omtrent 125 milliarder galakser3, så skulle der nok også være mulighed for at livet er opstået på flere planeter i Universet. Hvis man ikke tror på tilfældighederne i livets opståen, men hælder til en skabelse lavet af en højere intelligens, kan man alligevel godt formode, at livet findes mange andre steder. For hvorfor skulle Gud lave så mange galakser/stjerner/planeter og så kun sætte liv på en eneste? Dette ville forekomme som en ren ødslen med plads, og naturen, som vi kender den, er absolut ikke ødsel. Den udnytter resurserne. Et er at føre en rundbordsdiskussion om der findes liv på andre planeter, noget andet er at kigge efter på en nogenlunde fornuftig måde. Enhver kan jo forestille sig, at det er umuligt at undersøge alle stjerner hele tiden, og det er med vores teknologi også umuligt at rejse ud til de andre stjerner og kigge efter. Eftersom der er 1,31pc til vores nærmeste nabo, Proxima Centaurus, vil det for et rumskib tage i størrelsesordenen 100.000 år at flyve derud, hvis man bruger almindelige raketter. (Med ion-motorer går det hurtigere så er rejsetiden ca. 104 år.) Opgaven at lede efter liv andre steder end på Jorden synes formidabel, men alligevel er der mennesker, som har sat opgaven i system, og de har dermed dannet en ny videnskabsgren astrobiologien. Astrobiologi Nedenstående er et ekstrakt af NASA s egen forklaring på, hvad astrobiologi er. Interesserede kan læse mere på adresserne www.astrobiology.arc.nasa.gov samt www.seti.org. De spørgsmål, der ønskes besvaret er: 3 Hvordan opstår og udvikler liv sig? Eksisterer der liv andre steder i Universet? Hvad indeholder fremtiden for livet på Jorden og uden for Jorden? Figur 7.16. Parkes observatoriet i Sidney. Kilde: Foto af Rick Twardy. http://wwwpks.atnf.csiro.au/ http://hypertextbook.com/facts/1999/topazmurray.shtml
Side 7-14 I dag er der opdaget flere planeter udenfor vores solsystem end i det; man har opdaget at livet set under et er langt mere levedygtigt end hidtil antaget (se tekstboksen nedenfor for eksempler herpå), der er tydelige spor efter vand på Mars, livet på Jorden opstod for ca. 3,8 milliarder år siden, dvs. ca. 700 millioner år efter, at Solsystemet blev dannet, og livsformer fra Jorden kan overleve i flere år i rummet uden beskyttelse. Derfor må der også være fornuftig basis for at fremkomme med tesen, at livet på Jorden ikke er unikt. Liv på grænsen Sted/tilstand Varmeste, 113 C, (Vulkanø, Italien.) Koldeste. (Antarktis.) Dybeste, 3,5 km. (Landområder.) Sureste miljø, ph<0. Livsform Pyrococcus furiosus Crypotendolithotrophs Bakterier fundet i underjordiske klipper. Uklassificerede organismer voksende på materialer i huler. Mest alkaliske miljø, ph>11. Alkaliphiliske bakterier. Højeste strålingsmiljø. 5Mrad = 50kGy Deinococcus radiodurans. Ubeskyttet i rummet, 6 år. Bacillus subtilis. Længste rejse ubeskyttet, Kamera på Månen (3 år). Streptococcus mitus. Længste dvaletilstand, 20-40Myr. Fundet i tarm på Bakterier. rav-indhyllet bi. Dybest og højeste tryk, p = 1200 atm. (Marianer- Dybhavsdyr. graven.) Mest salte område, 30% saltkoncentration. Halophiliske bakterier. Eksempler på ekstremofiler bakterier, der kan overleve i omgivelser, man ikke normalt forbinder med at kunne opretholde liv. Mars Mars har engang haft flydende vand på overfladen, men efter at planetens varmeproduktion 4 er aftaget, er vandet henholdsvis fordampet eller trukket ned under overfladen. Flydende vand kan muligvis eksistere i underjordiske lommer, og der kan der være mulighed for at finde liv. Europa Galileo-missionen har vist, at Jupiters måne, Europa, måske har et flydende hav under dets iskappe. Astrobiologer vil undersøge nærmere, om der er flydende vand på Europa, samt om der findes præbiologiske organiske stoffer. (Stoffer, der bruges som byggestene for liv.) På figur 7.17 kan man se Europas rillede overflade, som indikerer, at der er flydende materiale under overfladen. Det gør den interessant for astrobiologerne. Figur 7.17. Europa set på tæt hold. Kilde: http://www2.jpl.nasa.gov/galileo/images/topten02. html. Titan 4 Stenplaneters varmeproduktion kommer fra henfald af radioaktive isotoper i planeten. Hvis planeten er på Mars størrelse vil forholdet mellem rumfanget og overfladearealet være så lille, at planeten afkøles hurtigere end for eksempel Jorden. Derved ophører vulkaner samt jordskælv, og atmosfæren degenerer dermed. Uden atmosfære vil drivhuseffekten på planeten ophøre, og den vil blive afkølet kraftigt.
Side 7-15 Saturn-månen Titan er den eneste måne i Solsystemet med en tyk atmosfære samt en avanceret sammensætning af organiske molekyler. Atmosfæren består primært at kvælstof, altså ligesom vores egen atmosfære. Cassini-missionen har i 2005 dumpet en probe ned gennem Titans atmosfære og foretaget målinger og efter 2005 planlægges en mission, som skal undersøge for præbiologiske organiske stoffer i Titans atmosfære samt på dens overflade. Resultaterne er slet ikke klar endnu, men som appetitvækker kan man på figur 7.18 se et billede fra Titans overflade. Kometer Vi ved allerede nu, at kometer indeholder store mængder vand samt aminosyrer. Kometerne har muligvis leveret aminosyrer til Jorden, før livet opstod på Jorden. Da kometer ofte kommer meget tæt på Jorden, er det oplagt at undersøge disse. Derfor er der flere projekter i gang, som skal udmønte i sonder, der sendes mod kometer for at tage prøver og sende dem retur til Jorden. Figur 7.18. Titans overflade. Kilde: http://esamultimedia.esa.int/imag es/cassini_huygens/huygens_land /Picture7.png. For eksempel fløj sonden Stardust (opsendt 7/2-1999) til kometen Wild 2, ankom i januar 2004, tog prøver og returnerede dem til Jorden, så vi har dem i 2006. Muses-C/Muses-CN lettede i januar 2002 og skal hjembringe prøver fra asteroiden 25143 Itokawa. Rosetta-missionen, som startede 2/1 2004 vil mødes med komet 67 P/ChurymovGerasimenko og lande på kometen i 2014. Landingsmodulet Philae skal studere kometkernen. Der er mange flere missioner, som er beskrevet på hjemmesiden astrobiology.arc.nasa.gov/missions.html. Jordbaserede observationer Hvis man vil lede efter liv andre steder end i Solsystemet, er det nødvendigt at benytte kikkerter/antenner, da det er komplet umuligt med vores teknologi at sende sonder ud til andre solsystemer. Et gammelt og nu ophørt projekt er SETI- Figur 7.19. National Radio Astronomy observatory i projektet. (Search for Extra Terrestial Greenbank, Pocahontas County, West Virginia. Kilde: Intelligence.) Dette projekt benyttede www.gb.nrao.edu/ radioteleskoper (parabolantenner) til at lytte efter radiosignaler fra fremmede civilisationer; projektet var dyrt og den amerikanske kongres
Side 7-16 annullerede bevillingerne i 1993. I 1995 startede det privatfinansierede Project Phoenix op, og formålet med dette projekt er som for Project SETI at finde intelligent liv i rummet. I project Phoenix undersøges ca. 1000 sollignende stjerner samt kendte stjerner med planeter omkring sig; alle stjernerne befinder sig inden for en afstand af ca. 200 lysår. Ved at fokusere på færre stjerner, bliver projektet billigere at gennemføre. Man undersøger radiosignaler i frekvensintervallet 1000 MHz til 3000 Mhz, og man deler frekvenserne op i 1 Hz-intervaller. Dvs. man undersøger 2 milliarder kanaler ad gangen pr. stjerne! Dette kræver naturligvis en enorm regnekraft. Regnekraften leveres af frivilliges computere. I stedet for at have en gammeldags screensaver, kan man ved at henvende sig til www.seti.org tilmelde sin computer, og dens regnekraft stilles så til rådighed for dataanalyse, når man ikke selv benytter computeren. I perioden 1995-1996 benyttede man sig af Parkes Observatoriets 210 fods teleskop. Se figur 7.16. Derefter benyttede man sig i perioden september 1996 til april 1998 af NRAOs (National Radio Astronomy Observatory) 140 fods teleskop i West Bank, Virginia. Se figur 7.19. I perioden fik man lov til at anvende 50% af kikkertens operationstid. Siden 1998 bruger man nu Arecibo observatoriets 1000 fod radioteleskop. Se figur 7.20. Her observerer man 2x3 uger om året. Figur 7.20. Arecibo-observatoriet i Puerto Rico. Kilde: http://www.naic.edu Over halvdelen af targetstjernerne er undersøgt, og man har endnu ikke fundet interessante signaler. Men hvordan undersøger man om et signal er et naturligt signal eller et intelligent signal? Det vil det næste afsnit forklare. Analyse af signaler Waterfall-plot. Eftersom datamængden fra for eksempel Project Phoenix er overvældende, er det nødvendigt at benytte sig af en datafremstilling, der gør det muligt at overskue store datamængder på kort tid. En enkel måde er waterfall-plottet. Som navnet antyder, minder det en smule om et vandfald. Betragt figur 7.21. Figuren viser et signal fra Pioneer 10-satellitten. På den vandrette akse har man frekvensen af signalet, og på den lodrette akse har man en tidskurve. Tiden vokser når man går op ad. Hvis dataene kom ud på en skærm ville det ligne et vandfald af punkter. De fleste punkter er Figur 7.21. Et waterfallplot. Kilde: www.nasa.gov. støjmålinger, som giver skumsprøjtet, og det målte signal svarer til sporet efter båden, der falder ned i vandfaldet.
Som man bemærker er signalet fra satellitten en skæv linie. Det skyldes, at Jorden roterer, og at den bevæger sig i sin bane omkring Solen og dermed vil frekvensen fra satellitten ændres som følge af dopplereffekten. Umiddelbart virker det forvirrende, at man ikke tager højde for Jordens bevægelse, men det har den indlysende fordel, at et signal udsendt fra Jorden vil give en lodret streg! Derved er det nemt at se om signalet skal kasseres eller ej. Eftersom udstyret er følsomt nok til at registrere småting som utætte mikrobølgeovne mv. er det vigtigt at kunne filtrere jordiske signaler fra. Side 7-17 Figur 7.22. Et signal som måske kunne ligne et udenjordisk signal. Kilde: www.nasa.gov. Hvis man finder et signal, der er extraterrestielt (udenjordisk) skal man dernæst forsøge at tyde det signal, som er blevet udsendt. Betragt figur 7.22. Figuren viser et eksempel på et signal man kunne forvente fra en civilisation, som er indrettet som vores egen. Prøv selv at finde ud af, hvad signalet prøver at fortælle os. Foruden at sende simple signaler som det ovenfor, kan man forsøge sig med mere avancerede signaler. For eksempel har vi fra Jorden en enkelt gang i 1974 via Arecibo-teleskopet sendt et signal, der ser ud som på figur 7.23. Det viser først en parabolantenne, solsystemet, mennesker osv. Billedet er 1679 bits stort et tal der er et produkt af primtallene 23 og 79. Med Voyager-rumsonderne er en plade med billeder af mennesket, solsystemet og forskellige motiver fra Jorden medtaget. På billedsiden er der også tegninger af æg, der befrugtes, en model af forskellige molekyler for eksempel et DNA-molekyle og mange andre ting. Se figur 7.24. Derudover er en kobbergrammofonplade indkapslet i guld, hvor der afspilles hilsener på mange af Jordens sprog blandt andet svensk. (Dansk er ikke med.) Foruden hilsenerne er der mange forskellige slags musik og lyde. Nogle mennesker mener, det er risikabelt at sende følsomme oplysninger om vores kropslige opbygning samt placering i Mælkevejen ud i rummet, da det automatisk gør os meget sårbare. En meget avanceret civilisation, der kan knække problemet med at transportere sig mellem stjernerne, kunne jo med ovenstående oplysninger nemt invadere Jorden. Andre mener, at vi i forvejen har brudt tavsheden ved at spredte radio/tv/telefon-signaler allerede har meddelt os, hvor vi er. Og at en fremmed civilisation skulle bruge vores oplysninger på en destruktiv måde forekommer usandsynligt. Læseren kan selv overveje, hvem der har ret. Figur 7.23. Det signal som Arecibo sendte ud i 1974. Så nu venter vi bare på et svar. Kilde: www.naic.edu.
Side 7-18 Ovenfor er kun løst beskrevet forskellige metoder til at søge efter eksisterende liv i Solsystemet og andre steder. Som læseren måske får fornemmelsen af, er astrobiologi et stort og ret uoverskueligt område, og derfor skal man nok ikke regne med at der kommer store gennembrud de første år. For at illustrere hvor vi står, kan vi opremse nogle få af spørgsmål, som forskerne stadigvæk forsøger at finde svarene til: 1. Biologerne kan stadigvæk ikke forstå, hvordan den første cellekerne blev skabt. (For at evolution kan starte, kræves Figur 7.24. Plade på Voyager II. Kilde: www.jpl.nasa.gov. mindst en fuldfærdig cellekerne.) 2. At rejse til andre kloder er pt. kun muligt i Solsystemet. Og her er det forbundet med store omkostninger om mange problemer. At rejse til andre solsystemer er endnu et helt uoverskueligt teknisk problem. 3. Hvis kommunikation via radiobølger eller måske laserlys kan opfanges, kommer det store problem med at forstå indholdet af signalerne. Når man tænker på de problemer arkæologer og antropologer har haft med at lære at tyde tidligere jordiske civilisationers sprog, hvor svært vil det så ikke være med E.T.s sprog? 4. Hvis vi finder liv på kloder i Solsystemet, hvordan kan vi så være sikre på, om det er liv, der er transporteret fra Jorden derud eller om livet er vandret den anden vej, eller måske kommer fra et helt tredje sted? Ja, problemerne er mange og store, men da spørgsmålet Hvor kommer livet fra? er et af menneskehedens mest fundamentale spørgsmål, er astrobiologien måske kronen på naturvidenskaben indtil nu? Heldigvis har læseren mulighed for at følge med i forskningsarbejdet på nærmeste hold via blandt andet Internettet. God jagt!
Bilag 1 Side 7-19
Bilag 2 Side 7-20
Bilag 3 Side 7-21
Side 7-22 Opgaver 7.1. Liv i Universet. Nasa og andre har udmærket hjemmesider. Prøv blandt andet ved hjælp af Internettet at besvare nedenstående spørgsmål. a. b. c. d. e. Forklar hvad Astrobiologi er for noget? Hvad gør den amerikanske regering for at undersøge UFO er? Hvad er Bion projektet? Hvad er Mars ansigt for noget? Amerikanerne landede først på Månen. Har USA annekteret Månen? Seti-instituttet har også en god hjemmeside, hvis man er interesseret i Ekstraterrestielt liv. (www.seti.org.) Hop over på den side og besvar følgende spørgsmål. f. g. h. i. j. k. Hvordan er den mest hensigtsmæssige måde at søge efter liv på? Hvilke slags signaler er det bedst at søge efter? Hvor henne er det bedst at søge efter liv? Hvad er et Waterfall plot? Hvordan skal et Waterfall plot se ud, hvis signalet kommer ude fra Rummet? Der er et eksempel på et muligt(?) udenjordisk signal vist figur 7.22. Forsøg at tyde budskabet. 7.2. Liv i Universet II. Hop ind på FBI s hjemmeside og find information om The Roswell incident. a. Hvad er den officielle forklaring på Roswell-affæren? b. Prøv ved hjælp af beskrivelsen i FBI s papirer, at tegne en skitse af det objekt, som faldt ned ved Roswell. c. Efter øjenvidners beretninger blev et stort område dækket af metalstumper fra nedslaget. Prøv at finde en fornuftig forklaring på den officielle forklaring og øjenvidnernes forklaring. d. Et rumskib fra en fremmed civilisation antages at komme fra stjernen Proxima Centaurus, som ligger 4,28 lysår væk. Hvor lang tid ville det tage for et rumskib derfra at flyve til Jorden, såfremt det benytter en ion-motor, der kan give skibet en fart på 200.000 km/t? Foruden Roswell-affæren har der også været andre underlige sager i USA. For eksempel er kvæg blevet lemlæstet af uforklarlige grunde. Download siderne og besvar nedenstående spørgsmål ved at skimme i siderne. e. I hvilke områder blev kvæget mishandlet? f. Hvilke skader fandt man på kvæget? g. Folk troede at rumfolk var involverede i mishandlingerne. Hvilke beretninger støttede denne hypotese? h. Hvilke naturlige forklaringer er der på, at bestemte organer manglede på de døde dyr? Og hvilke observationer peger imod de naturlige forklaringer? i. Hvad tror du er den rigtige forklaring på kvægmishandlingerne?
Side 7-23 Endelig har der på mindre dramatisk vis også i USA - været masser af UFO-observationer i 60 erne og 70 erne. Læs den første fil i Project Blue Book og besvar nedenstående spørgsmål. j. I hvilken periode foretog det amerikanske flyvevåben undersøgelserne af folks observationer? k. Flyvevåbenet konkluderede 3 ting på grundlag af observationerne. Hvilke? l. Hvor mange UFO-observationer blev i alt registreret? Og hvor mange fortsatte med at være uforklarede? (Hvis du har tid, så tegn en (år, antal observationer)-graf.) m. I 1989 forsøgte en person at starte The new Project Blue Book. Hvorfor gjorde man det? n. Hvilke rygter gav anledning til nye gisninger om at den amerikanske regering holdt viden tilbage for offentligheden? o. Giv din egen forklaring/mening om UFO-debatten. Du kan for eksempel komme ind på rejseafstande, teknologi, mødet mellem to forskellige kulturer, psykologiske faktorer (jagt på berømmelse for eksempel), konspirationsteorier osv. osv.