AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 17: Sorte hull og galakser

Transkript

1 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 17: Sorte hull og galakser

2 Astronomiske avstander Hvordan vet vi at nærmeste stjerne er 4 lysår unna? Parallakse (kun nære stjerner) Hvordan vet vi at galaksen vår er lysår i diameter? Absolutt og tilsynelatende magnitude til hovedseriestjerner gir avstanden til dem Hvordan vet vi at nabogalaksen (Andromeda) er 2.5 millioner lysår unna? Standardlyskilder Hvordan vet vi at de fjerneste objektene vi observererer over 10 milliarder lysår unna? (OBS: Ingen av de 4 svarene er like.)

3 Eksempel på standardlyskilde: Supernova type 1a Navn Kommer fra Lysstyrke Etterlater seg Karbon-detonasjon Type 1a Hvit dverg (1.4 M sol ) Stort sett alltid lik Ingenting Kjernekollaps (Type 1b, 1c, 2) Stjerne > 8 M sol Varierer med stjernas masse Nøytronstjerne eller sort hull Par-ustabil Stjerne > M sol (men ikke alle) Ca. 100 x mer enn kjernekollaps Ingenting

4 Standardlyskilde Absolutt magnitude (M) er kjent (varierer lite) Tilsynelatende magnitude (m) kan måles Dermed lett å måle avstand til lyskilden (m-m kan regnes om til avstand) Vi kan se en supernova type 1a i en annen galakse og regne ut avstanden til galaksen

5 Standardlyskilder Supernova type 1a Cepheider (en type variabel stjerne absolutt magnitude henger sammen med hvor raskt variasjonene i lysstyrke går) (+ flere andre)

6 Nøytronstjerne hvis opprinnelig stjerne veier 8-25 solmasser

7 Sorte hull: Stjerne over 25 solmasser

8 (Mye av stjernas masse tapt i kjernekollaps-supernova.)

9 Hva motstår tyngdekraften? Hvit dverg: Trykk fra degenererte elektroner Nøytronstjerne: Trykk fra degenererte nøytroner Sort hull: Ingenting total kollaps

10 Unnslipningshastighet Hvor raskt må man bevege seg for å slippe unna gravitasjonsfeltet til et himmellegeme? Sprettert-situasjon, dvs. uten motor Også uten luftmotstand, kun tyngdekraften som bremser en ned

11 Unnslipningshastighet Jorden: km/t Hvit dverg (1 M sol ): 23 millioner km/t Nøytronstjerne (1 M sol ): 586 milloner km/t Sort hull: Over lyshastigheten (1.08 milliarder km/t)

12 Selv ikke lys kan unnslippe

13 Schwarzschild-radien

14 Schwarzschild-radien Presser du noe sammen til en kule med denne radien, blir det et sort hull Solens Schwarzschild-radius: ca. 3 km Jorden: ca. 9 mm Foreleseren: ca m

15 Eventhorisonten Punktet der unnslipningshastigeten er akkurat lik lysets hastighet For et sort hull er dette identisk med Schwarzschild-radien Alle massive objekter har en Schwarzschildradius, men det kalles ikke en eventhorisont før objektet presses sammen til et sort hull

16 To myter om sorte hull 1. De er kosmiske støvsugere som til sist vil suge til seg all masse i universet. 2. Å falle inn i et sort hull er en smertefull død.

17 To myter om sorte hull 1. De er kosmiske støvsugere som til sist vil suge til seg all masse i universet. Langt unna et sort hull vil tyngdekraften være lik den fra en stjerne med samme masse Langt nok unna kan en gå i bane rundt et sort hull uten problemer (tyngdekraften avtar raskt med økt avstand)

18 Å falle inn i et sort hull

19 Å falle inn i et sort hull Det er ikke tyngdekraften i seg selv som er farlig, men forskjellen i tyngdekraften på, for eksempel hodet og føttene. Det vil si: Tidevannskrefter! Forskjell i tyngdekraft går som 1/R 3. Sorte hull: R=2GM/c 2. Det vil si: Jo større sort hull, desto lenger inn kan du falle før tidevannskreftene dreper deg.

20 Å falle inn i et sort hull For en observatør langt borte, vil tiden se ut til å gå stadig saktere for personen som faller inn i det sorte hullet Klokke på offerets arm vil gå stadig saktere Ved horisonten til det sorte hullet vil det se ut som om tiden stopper for den som faller inn Doppler-effekt: Lyset fra personen som er frosset i tid vil bli rødere og rødere

21 Å falle inn i et sort hull For personen som faller inn i det sorte hullet, vil egen klokke gå helt normalt Tidevannskreftene øker jevnt, men man merker ikke noe spesielt idet horisonten krysses Nær horisonten kan man se baksiden av sitt eget hode

22

23 Hvorfor ser det sorte hullet slik ut? Warner Bros.

24 Å falle inn i et sort hull Innenfor horisonten vil en se innover i alle retninger rundt seg Kan etter hver se mange kopier av ting som falt inn før en selv Sort hull med 1 solmasse: Maksimalt 7 mikrosekunder å falle fra horisont til sentrum Sort hull i Melkeveiens sentrum: Maksimalt 1 minutt!

25 Å falle inn i et sort hull Nervesignaler: ms å nå hjernen I et lite sort hull rekker man ikke å føle smerte etter å ha passert horisonten Problemet er at der vil tidevannskreftene ta knekken på deg før horisonten krysses Større sort hull: Kan krysse horisonten uten å dø, men har mer tid til å føle smerte etterpå

26 Sorte hull i alle størrelser Supermassive sorte hull, M SOL i kjernene til aktive galakser. Mange galaksekjerner har sorte hull med masser M ~ M SOL. Middels store sorte hull M SOL. Sorte hull på noen få solmasser (mer enn 3 M SOL ) er rester etter supernovaer. Mikroskopiske sorte hull M ~ tonn kan ha blitt dannet i Big Bang fordamper - ikke påvist. 26

27 Sorte hull kan stråle Hawking (1974): Kvantefysiske effekter nær horisonten fører til at sorte hull kan sende ut stråling. Samtidig mister de masse, tilsvarende energien i den utsendte strålingen. Sorte hull vil derfor fordampe! Men: Levetiden er ekstremt lang i normale tilfeller.

28

29 Levetid som funksjon av masse M (Solmasser) R s (km) T (K) Levetid / universets alder x x x x x x x x x x x x

30 Roterende sorte hull

31 Sentralområdet i galaksen 31

32 Sentralområdet i galaksen: Stjernebaner AST Melkeveien 32

33 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) pga. stjernebaner. Den eneste type objekt som er kompakt nok, er et sort hull!

34 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.

35 AST Galakser 35

36 Hubbles klassifikasjon av galakser Spiralgalakser vanlige spiraler og stangspiraler Elliptiske galakser Irregulære galakser 36

37 Stemmegaffeldiagrammet 37

38 Spiralgalakser: Sa, Sb og Sc 38

39 39

40 Stangspiraler typer SBa, SBb og SBc AST Galakser 40

41 Elliptiske galakser - I hovedsak Pop. II-stjerner (gamle) lite gass og støv - Dekker et område i størrelse fra de største til de minste galakser 41

42 M82 er en irregulær galakse ingen struktur i synlig lys (t.v.) I infrarød stråling (t.h.) ser vi at galaksen har skyer av gass og støv samt aktivitet som kaster ut gass fra kjernen. 42

43 Stjerner gass - dynamikk Spiraler Elliptiske Irregulære Unge og gamle Bare gamle Både gamle stjerner i skive; stjerner og unge stjerner bare gamle i halo Gass og støv i Lite eller ikke Svært mye gass skiva, ikke noe noe gass eller og støv gass/støv i halo støv Stjerner dannes Ikke nevneverdig Livlig dannelse i spiralarmene stjernedannelse av nye stjerner Stjerner i bane Stjerner i vilkårlige Stjerner har helt i skiven, kaotiske baner i tre dimen- irregulære baner baner i halo sjoner 43

44 Spiralarmenes natur Armene består av de sterkest lysende stjernene, altså O- og B-stjerner, og av HII-områder, gass oppvarmet av slike stjerner Stjerner utenom typer O og B fordeler seg jevnt i hele galakseskiva Konsentrasjonen av stjerner i armene er bare 5% høyere enn mellom armene 44

45 Opptvinning av spiralene AST Galakser 45

46 Hoper og superhoper av galakser Galaksehoper galactic clusters den lokale gruppen regulære galaksehoper: sfærisk i fasong, konsentrerte mot sentrum irregulære galaksehoper: mer vilkårlig spredning av galaksene i hopen 46

47 AST Galakser 47

48 AST Galakser 48

49 Comahopen en typisk stor galaksehop AST Galakser 49

50 Hoper og superhoper av galakser Galaksehoper galactic clusters den lokale gruppen regulære galaksehoper: sfærisk i fasong, konsentrerte mot sentrum irregulære galaksehoper: mer vilkårlig spredning av galaksene i hopen Superhoper superclusters vår lokale superhop inkluderer hoper ut til Virgohopen ~ 50 millioner lysår unna 50

51 AST Galakser 51

52 Hoper og superhoper av galakser Galaksehoper galactic clusters den lokale gruppen regulære galaksehoper: sfærisk i fasong, konsentrerte mot sentrum irregulære galaksehoper: mer vilkårlig spredning av galaksene i hopen Superhoper superclusters vår lokale superhop inkluderer hoper ut til Virgohopen ~ 50 millioner lysår unna Hulrom og vegger voids and walls de største strukturene 52

53 AST Galakser 53

54 1.6 millioner galakser AST Galakser 54

55 Galaksekollisjoner Det er vanlig at galakser kolliderer med hverandre Som ventet, da de er store og nær hverandre i forhold til størrelsen Galaksekollisjoner kan gi starburst i en kolliderende galakse områder hvor det er sterk nydannelse av stjerner Kolliderende galakser kan slå seg sammen, spise hverandre og bli spist 55

56 AST Galakser 56

57 Den kolliderende galaksen trekker med seg hydrogen (21 cm-stråling) ut i rommet 57

58 Galaktisk kannibalisme og spiralarmer 58

59 Rød kurve: Forventning basert på synlig masse. Blå kurve: Faktisk observert rotasjonskurve. 59

60 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

61 MACHO 1 -mikrolinsing Man behøver et rikt stjernefelt, for eksempel den Store Magellanske Sky som her. 1 MACHO Massive Compact Halo Object 61

62 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. 62

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

64 MACHO Massive Compact Halo Object WIMP Weakly Interacting Massive Particle? Axioner? (eventuelt andre kandidater?)

65 Mørk materie i og mellom galakser Mørk materie er vanlig i galakser. Dette fastslås fra rotasjonskurver. Den mørke materien strekker seg utenfor kanten av den synlige galakseskiva. 65

66 66

67 Mørk materie i og mellom galakser Mørk materie er vanlig i galakser. Dette fastslås fra rotasjonskurver. Den mørke materien strekker seg til utafor kanten av galakseskiva. Mørk materie også mellom galaksene. Bevegelsen av galaksene rundt hverandre i en hop er så rask at hopen ikke blir holdt samlet uten ved gravitasjon fra mørk masse. Gravitasjonslinsing gir større masser enn den som måles fra synlig stråling og fra røntgen stråling. 67

68 Galaksehoper som gravitasjonslinser AST Galakser 68

69

70 Eksamenstips Skriv det viktigste først Har du svart på alt oppgaven spør om? (Sjekk.) Om du har tid (skal normalt være nok tid), fyll ut flere detaljer mot slutten av eksamen (kan sette av plass til dette) OBS: Må være relevante detaljer for at det skal telle positivt på vurderingen

71 Neste forelesning: Eksoplaneter og jakten på liv i rommet