10/19/15 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 17: Melkeveien Innhold Melkeveiens struktur Det sorte hullet i sentrum av Melkeveien Mørk materie 2 Melkeveien sed fra jorda 1
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. 4 Melkeveiens deler: GalacMc nucleus galaksens kjerne. Central bulge sentral- utbulningen. Disk galakseskiven Globular clusters kule- hoper, finnes i haloen. Spiral arms spiralarmer har navn eder stjernebilder. Halo stort kuleformet område som mer enn omsluder hele galaksen. 5 Melkeveiens dimensjoner Galakseskivens diameter er ca. 100 000 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 fridsvevende. Melkeveien har totalt 200-400 milliarder stjerner. 6 2
Hvor i Melkeveien er vi? Harlow Shapley benydet RR Lyrae- variable som standard lyskilder Ml å måle avstanden Ml 69 kjente kulehoper Fant at senteret for kulehopenes fordeling ikke lå nær jorda, men 65,000 lysår unna (korrekt verdi 27,000 lysår). IdenMfiserte dede stedet med sentrum for galaksen 7 RR Lyare- variable Banebevegelser i galaksen Banene Ml halostjerner og kulehoper ligger i alle mulige baneplan. Stjerner, skyer og hoper i skiven går i baner som vipper under og over skivens midtplan. 9 3
Utviklingshistorie haloen Galaksen er dannet fra en roterende sky av gass som senere falt sammen Ml en skive i sid eget tyngdefelt. Kulehopene og de frie halostjernene ble dannet før skiva derfor er dede gamle stjerner med lavt metallinnhold (populasjon II). Kulehoper og halostjerner fikk baner med baneplan i alle mulige vinkler og har i Mdens løp forstyrret hverandre slik at banene nå er i høy grad vilkårlige. 10 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 Mlbake Ml dede. 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 relamvt Ml populasjon I- stjernene, som følger hverandre i omløpet rundt Melkeveiens sentrum. 11 Man har funnet halostjerner med ekstremt lavt metallinnhold AST1010 - Melkeveien 12 4
Mye gass og støv i Melkeveiens sentralplan/skive Skyer av støv og gass skygger for stjerner 13 Kartlegging av galaksen: 21 cm radiostråling fra nøytralt hydrogen AST1010 - Melkeveien 14 Skyer i armene skilles ved Doppler- effekten, da de har forskjellig hasmghet AST1010 - Melkeveien 15 5
AST1010 - Melkeveien 16 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. 17 AST1010 - Melkeveien 18 6
Sentralområdet i galaksen AST1010 - Melkeveien 19 Sentralområdet i større detalj 20 AST1010 - Melkeveien 21 7
Sort hull i sentrum av Melkeveien Massen Ml 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 Ml 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 10-100 solmasser som har vokst seg større ved å spise masse. Uiordring: Kvasarer viser at sorte hull med masser rundt 1 milliard solmasser fantes allerede da universet var ca. 1 milliard år gammelt. GalakMsk rotasjon Melkeveien roterer. Solas omløpsmd 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. 24 8
Rød kurve: Forventning basert på synlig masse. Blå kurve: FakMsk observert rotasjonskurve. 25 Foreløpig konklusjon på masseproblemet Vår galakse inneholder store mengder masse som ikke lyser mørk materie. 80% av massen som gir tyngdekrener 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 10 12 M sol mens antallet stjerner regnes Ml 2-4 x 10 11. 26 To typer kandidater for mørk masse Baryonisk masse: sorte hull, brune dvergstjerner, Jupiter- lignende fridsvevende planeter. Slike hypoteser kan sjekkes ved mikrolinsing. Ikke- baryonisk masse: nøytrinoer, WIMPs (Weakly InteracMng Massive ParMcles), axioner, 27 9
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 parmkler vi ennå ikke har påvist eksperimentelt. 28 MACHO 1 - mikrolinsing Man behøver et rikt stjernefelt, for eksempel den Store Magellanske Sky som her. 1 MACHO Massive Compact Halo Object 29 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. 30 10
Ingen av de kjente parmklene kan bygge opp all den mørke materien Axioner? 11
LUX: Ser eder mørk materie som treffer jorda Neste forelesning: Galakser og galaksehoper 12