Kuglehobes stjerner dyrker fællesskabet
Stjernerne i en kuglehob snakker sjældent på tomandshånd. De underlægger sig kollektivets spilleregler.

En kuglehob er en sfærisk ansamling af tusinder - i nogle tilfælde millioner - af stjerner. Nogle få kugleformede hobe såsom 47 Tucanae på den sydlige stjernehimmel optræder som diffuse tåger med det blotte øje. Det kan dog lade sig gøre at se deres enkelte stjerner ved hjælp af skarptseende teleskoper. (Foto: Thomas V. Davis, www.tvdavisastropics.com)

Kuglehobe er gigantiske ansamlinger af stjerner, som længe har drillet astronomerne. De har nemlig et udseende, som forskerne ikke har kunnet genskabe med deres teorier.

Men nu har en forskergruppe fra Københavns Universitet et bud på, hvordan stjernerne påvirker hinanden indbyrdes og får kuglehobe til at se ud, som de gør. 

Studiet er gennemført af professor Jens Hjorth ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet, lektor Liliya Williams samt lektor Eric Barnes ved School of Physics and Astronomy, University of Minnesota i USA Resultaterne er accepteret og bliver offenliggjort i det anerkendte astrofysiske tidsskrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

»Kuglehobe er for mig interessante systemer bestående af mange stjerner, som udelukkende vekselvirker med noget så kendt som Newtons tyngdelov. Så derfor burde vi kunne forstå, hvorfor de ser ud, som de gør. At vi ikke havde fuld forståelse af noget så umiddelbart simpelt, pirrede vores nysgerrighed, og det var det, der motiverede os til at kaste os ud i studiet,« siger Jens Hjorth.

Ikke én, men to processer i spil i kuglehob

En kuglehob er en stor ansamling af stjerner på mellem 100.000 og 1.000.000 medlemmer. Stjernerne ligger så langt fra hinanden, at de stort set aldrig støder sammen, men afstandene mellem dem er på den anden side så små, at de kommer inden for hinandens privatsfære og uvilkårligt kommer til at udgøre et samfund. De kræfter, der holder sammen på hele herligheden, skabes af tyngdefelterne fra de enkelte stjerner.

I astronomien er man hidtil gået ud fra, at en kuglehob udelukkende tager form efter, hvordan de enkelte stjerner ’snakker’ sammen og udveksler energi. Forestillingen har været, at en stjerne kun rammer tyngdefeltet fra de stjerner, som de passerer forbi lige nu og her, og ikke mærker ret meget til resten af flokken. 

Fakta

Analogi fra hverdagen

Forestil dig, at du kører en tur på cykel i bragende solskin. Undervejs trækker det op til uvejr, og det begynder at regne i stride strømme. Store regndråber banker ned i hovedet på dig, hvilket hyler dig så meget ud af den, at du må køre langsommere. Da regnvejret er ovre, spreder der sig en tåge, som forhindrer dit udsyn og tvinger dig til at holde tempoet nede.

Scenariet fra hverdagen kan sammenlignes med, hvad en stjerne oplever på sin vandring gennem en stjernehob. På sin vej gennem hobens centrale dele vil stjernen ramme ind i tyngdefelterne (regndråber) fra hobens andre stjerner. I de ydre dele vil stjernen være mere påvirket af det kollektive tyngdefelt (tåge) fra alle stjernerne tilsammen, som forefindes overalt.

En stjerne så at sige kolliderer med en anden stjernes tyngdefelt, hvorved den mister eller vinder en smule energi. Konsekvensen er, at stjernen efterfølgende bliver dirigeret i en lidt anden retning. Stjernerne bliver altså spredt ved sammenstød med andre stjerners tyngdefelter, og den slags ’kollisioner’ mellem par af stjerner har man været overbevist om tilsammen skaber en dynamik, der styrer kuglehobes udvikling.

Flokken lægger pres på hver enkelt stjerne

Problemet er, at teorien ikke stemmer overens med observationerne, og det fik Jens Hjorth og Liliya Williams til at fundere over, om der måske også kunne ligge en anden mekanisme bag.

Deres umiddelbare tanke var, at hver enkelt stjerne måske også blev dirigeret rundt i manegen af en kraft overalt i hoben, som er et sammensurium af tyngdefelterne fra alle de andre stjerner i flokken. Kraften er ikke konstant, men varierer fra sted til sted og med tiden.

Den teori har Jens Hjorth og Liliya Williams testet ved at tage udgangspunkt i andre folks observationer af, hvordan kuglehobenes lys fordeler sig afhængig af afstanden fra hobens centrum.

Sådan en fordeling omtaler forskerne i faglige termer som en ’lysprofil’, og de to forskere har sammenholdt de observerede med to teoretiske profiler:

  1. Den ene er baseret på antagelsen om, at stjernesystemerne er domineret af energiudveksling ved ’kollisioner’ mellem en stjerne og en anden stjernes tyngdefelt
     
  2. Den anden er baseret på, at de vigtigste energiudvekslinger mellem hobens stjerner er ’kollisionsløse’, det vil sige skyldes vekselvirkning med et ensartet tyngdefelt i hele hoben, som kan ændre sig over tid

»Det viser sig noget overraskende, at det er den sidste profil, som giver den bedste overensstemmelse med observationerne. Vi vover pelsen og påstår, at kuglehobenes udvikling er domineret af de kollisionsløse processer,« siger Jens Hjorth.

Kollisionsløs dynamik dominerer store hobe

Jens Hjorth og hans kolleger har tidligere vist, at mørkt stof i galakser og galaksehobe, som ZwCl0024 1652, opfører sig kollisionsløst. Det mørke stof (i dette tilfælde den blå ring) udgøres af et meget stort antal partikler, som hver især er lette og dermed har et svagt tyngdefelt. (Foto: Hubble Space Telescope)

De to forskere har undersøgt, om antallet af stjerner i hoben spiller en rolle for, om det er den ene eller den anden proces, der har mest magt. Og hobens størrelse viser sig at have stor betydning.

»Der er ingen tvivl om, at kollisionerne er vigtige for kuglehobenes indre dynamik. Hvad vi foreslår, er, at der OGSÅ er et element af kollisionsløs dynamik,« siger Jens Hjorth.
Når antallet af partikler bliver tilstrækkeligt stort, er det ikke længere kun de indbyrdes relationer, der tæller. Så opstår der et samfund, som har en kraft og en styrke, der påvirker det enkelte individ.

I en hob med millioner af stjerner vil stjernerne snakke sammen parvis i centrum, men ingen andre steder - i hvert fald ikke inden for universets levetid på 13,6 milliarder år. Kommunikation på to-mands-hånd vil først spille en rolle, hvis man betragtede hobene over betydeligt længere tidsperioder, hvilket man af gode grunde ikke har kunnet gøre.

Kuglehobe er et naturligt laboratorium

De to forskere pointerer, at de ikke har gennemført studiet for at blive klogere på kuglehobene. Perspektivet er større.

Jens Hjorth og Lidiya Williams opfatter snarere kuglehobene som naturens eget laboratorium, der giver forskerne ideelle muligheder for at udforske, hvad der helt konkret sker, når et stort antal partikler – i dette tilfælde stjerner – er samlet på lidt plads, og tyngdekraften er det eneste, der er på spil.

»Som med så mange andre astronomiske objekter kan man studere en kuglehob, fordi den som objekt er interessant, eller man kan forsøge at udnytte deres egenskaber til at få svar på andre spørgsmål. Personligt er jeg ikke særlig optaget af at studere kuglehobe som astronomiske objekter, men de er ideelle til at blive klogere på nogle fundamentale fysiske processer, som gennemsyrer hele universet. Og det er stort,« slutter Jens Hjorth.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud

Det sker