Computersimulering giver ny indsigt i galakse-sammenstød

Hvad sker der, når to spiralgalakser som vores egen Mælkevej og nabogalaksen Andromeda støder sammen?

Hidtil har man troet, at der blev dannet elliptiske galakser, når to spiralgalakser støder sammen.

Elliptiske galakser er kendetegnet ved at være ’døde’ – forstået som, at der ikke længere dannes nye stjerner.

Via en lang række detaljerede simuleringer har vi vist, at det er uklart, hvorvidt en kollision altid har et dødt resultat. For den gas, som tilføres den nye galakse, der er resultatet af sammenstødet, kan føre til dannelsen af nye stjerner.

Inden jeg forklarer mere om vores resultater, som ændrer grundlæggende på den opfattelse, vi hidtil har haft af galaksers liv og død, må vi lige have lidt af baggrunden på plads.

Mælkevejen er en levende spiralgalakse

Galakser indeholder gas og stjerner, som holdes sammen ved hjælp af tyngdekraften.

Alle de stjerner, som man kan se med det blotte øje på nattehimlen, tilhører vores egen galakse, Mælkevejen, som i alt indeholder over 100 milliarder stjerner.

Disse er fordelt på et enormt område på over 100.000 lysår (1 lysår er cirka 9.5 billioner kilometer, så det er et pænt stort område).

Det er dog kun et fåtal af Mælkevejens stjerner, der er lysstærke nok til, at de kan ses med det blotte øje.

Mælkevejen er som nævnt en spiralgalakse, hvilket betyder, at hovedparten af stjernedannelsen foregår i nærheden af dens spiralarme (se et eksempel på spiralarme på billedet øverst).

Eftersom vi befinder os indeni Mælkevejen, er det udfordrende at fastlægge dens struktur, idet vi ikke blot kan tage et billede af den, ligesom vi kan med de omkringliggende galakser.

Et eksempel på en spiralgalakse er Messier 101, som på mange måder minder om Mælkevejen. Den er fotograferet øverst i artiklen med rumteleskopet Hubble.

Galaksens centrum indeholder gamle, røde stjerner, hvorimod de blålige farver indikerer nyligt dannede stjerner i spiralarmene. Stjernerne dannes af gas, som også befinder sig i spiralarmene.

Galaksesammenstød afgør galaksers udvikling

Galaksesammenstød er vigtige begivenheder for galaksers udvikling, idet et sammenstød af to spiralgalakser kan føre til dannelsen af en såkaldt elliptisk galakse.

Det moderne indblik i, hvordan vi forstår galakse-sammenstød er beskrevet i en open-access videnskabelig artikel fra 2007, hvor især figur 1 viser et godt overblik.

Eksempelvis mener man, at Mælkevejen og vores nabogalakse Andromeda er på kollisionskurs.

Det sker dog ikke lige med det første. Holder beregningerne, vil de to galakser kollidere og omdannes til en elliptisk galakse i løbet af ca. fire milliarder år.

Faktisk vil et sammenstød af vores og en anden galakse sandsynligvis ikke have nogle nævneværdige konsekvenser for livet på Jorden, da galakser er meget store, og vores solsystem er lille i sammenligning – sandsynligheden for, at en anden stjerne forvilder sig ind i vores solsystem er tæt på 0.

På den nedenstående figur ses et eksempel på et sammenstød af to spiral-galakser (til venstre) samt en elliptisk galakse (til højre), som man mener er slutproduktet af kollisionen.

Så hvad er en elliptisk galakse?

En elliptisk galakse ligner en diffus tågesky. Den hvide tågelignende fordeling af lys, som vi observerer fra elliptiske galakser, stammer fra stjerner.

Elliptiske galakser indeholder kun små mængder stjernedannende gas, og derfor betegnes de ofte som ’døde galakser’.

I 1936 introducerede den amerikanske astronom, Edwin Hubble, som i øvrigt også opdagede universets udvidelse og fik opkaldt et rumteleskop efter sig, begreberne elliptiske- og spiral-galakser, som man kender dem i dag.

For at forklare eksistensen af disse galaksetyper opstillede han en hypotese om, at elliptiske galakser med tiden udvikler sig til spiralgalakser.

Pudsigt nok mener man i dag, at det forholder sig præcis omvendt, idet man som beskrevet ovenfor mener, at elliptiske galakser dannes, når spiralgalakser støder sammen.

På trods af at Hubble’s hypotese om udviklingsforløbet af galakser var forkert, betragter man dog stadig hans klassifikation af galakser som banebrydende.

Udviklingen af elliptiske galaksers er endnu ikke forstået

Selvom man siden Edwin Hubble’s tid har studeret strukturen af galakser intensivt, er der i dag fortsat uløste problemer relateret til udviklingen af galaksers struktur.

Eksempelvis har et dansk forskerhold for nyligt observeret at forfædrene til de elliptiske galakser har fællestræk med både spiralgalakser og elliptiske galakser. Studiet er beskrevet her på Videnskab.dk i artiklen 'Kæmpegalaksers historie skal skrives om'.

Fællestrækkene bunder i, at forfader-galakserne ikke danner særligt mange stjerner (hvilket er karakteristisk for elliptiske galakser), men omvendt stadig har en roterende disk ligesom spiral-galakser.

Det er fortsat uklart præcis, hvordan disse observationer skal forstås teoretisk.

Vi undersøgte de hidtidige antagelser om galaksedød

På trods af at det er den gængse opfattelse, at elliptiske galakser dannes når spiral-galakser støder sammen, er det uklart, hvorvidt en sådan kollision altid fører til denne skæbne.

For at adressere spørgsmålet har vi for nylig publiceret et dansk-ledet studie, hvor vi har simuleret galakse-sammenstød i høj detalje ved hjælp af avancerede computer-modeller.

Projektet er en videreudvikling af Illustris-projektet, som tidligere er beskrevet her på Videnskab.dk i artiklen 'Ny computermodel illustrerer universets vanvittige udvikling'.

I denne type simuleringer beregner vi, hvordan universets struktur har udviklet sig fra Big Bang og frem til i dag. Computer-simuleringerne er baseret på fysiske modeller for, hvordan mørkt stof, gas, stjerner og sorte huller opfører sig.

Mere realistisk fysik end traditionelle simuleringer

I vores nye simuleringer af galakse-sammenstød har vi for første gang studeret storskala-strukturen omkring de galakser, som tager del i sammenstødet.

Med andre ord har vi ikke kun set på galakserne, men også på det rum, de ligger i. ​

Storskala-strukturen består blandt andet af filamenter, som er aflange strukturer mange gange større end Mælkevejen selv. Disse filamenter indeholder mørkt stof, gas og andre galakser.

Og netop gas er enormt vigtigt her, da gassen kan spille en afgørende rolle i forhold til dannelsen af nye stjerner efter et galakse-sammenstød.

Samlet er de nye simuleringer en forbedring i forhold til traditionelle simuleringer af galakse-sammenstød, som ikke har taget højde for storskala-struktur.

Simulering af galaksesammenstød

På den nedenstående figur ses en simulering af et galakse-sammenstød. Lad os gennemgå figurerne og se, hvad de viser:

• Til venstre kan man se spiralstrukturen i hver af galakserne.
• De blå farver indikerer nyligt dannede stjerner, hvorimod de rødlige farver viser stjerner dannet tidligt i galaksernes udvikling.
• På den midterste og højre figur bliver der zoomet gradvist ud, så man kan se storskala-strukturen omkring galakserne.
• Sort viser fordelingen af mørkt stof. De sorte pletter på figuren i midten og til højre er ’sfæriske haloer’, som hver indeholder en galakse.
• I figuren til højre kan man også se tre aflange diffuse filamenter, som er markeret med røde linier. Disse udgøres af mørkt stof, gas og galakser.

Spiralgalakser kan overleve sammenstød

Vores simuleringer reproducerer tidligere resultater (se her og her), som viser, at spiralstrukturen i galakser bliver ødelagt eller svækket i et galakse-sammenstød.

Derudover viser vi, at tyngdekraften efter galakse-sammenstødet vil tiltrække gas fra den omgivende storskala-struktur. Den tiltrukne gas kan genstarte dannelsen af en spiralstruktur bestående af nyligt dannede stjerner.

Netop derfor er det så vigtigt at studere storskala-strukturen og ikke kun galakse-sammenstøddet, som tidligere studier har gjort.

For den gas, tyngdekraften fra sammenstøddet tiltrækker, er netop det, der skal til for at genstarte dannelsen af en ny spiralgalakse.

Galakserne danner ny spiralstruktur

Den nedenstående figur viser, at i to ud af fire simuleringer har galakserne dannet ny spiralstruktur fem milliarder år efter, at de har gennemgået et galakse-sammenstød.

Det betyder, at en spiralgalakse sagtens kan have gennemgået et sammenstød i dens fortid, og at galakse-sammenstød dermed ikke altid fører til dannelsen af en (død) elliptisk galakse. Det bakkes op af artiklen 'Kosmisk kollision ændrede Mælkevejens struktur for evigt,' som udkom på Videnskab.dk i sidste uge.

Figuren nedenfor viser som nævnt de forskellige resultater af galaksesammenstød i vores simuleringer. To af galakserne (nummer 1 og 2) er typiske spiralgalakser. Galakse 3 har ikke nogen spiralstruktur og karakteriseres som en ’lentikulær’ eller elliptisk galakse.

Galakse 4 har spiralstruktur, men denne er mere utydelig end for galakse 1 og 2. En nærmere analyse af galakse 4 viser, at stjernernes bevægelse minder mere om en elliptisk- end en spiralgalakse.

Det store billede giver ny viden

Konklusionen på figuren er altså, at galakser, der har gennemgået et sammenstød, i nogle tilfælde godt kan gendanne deres spiral-struktur efter sammenstødet. Og det er nyt.

Hidtil har sammenstøds-simuleringer vist, at galakse-sammenstød næsten automatisk fører til dannelsen af en elliptisk galakse, altså en død galakse, som ikke længere danner stjerner.

Årsagen til at de klassiske simuleringer ikke har opnået dette resultat er, at de ikke har medregnet universets storskala-struktur.

Amerikanske forskere har nået samme konklusioner

En amerikansk forskningsgruppe har udført et relateret studie ved at analysere alle galakse-sammenstødene i Illustris-simuleringen.

På den måde kan de studere flere galakser end vores studie, men til gengæld har de lavere opløsning – og dermed mindre præcision – i deres simulerede galakser.

Det amerikanske studie bekræfter vores konklusion om, at spiral-struktur faktisk kan gendannes efter et galakse-sammenstød.

Den amerikanske gruppes fremgangsmåde gør det muligt at studere, hvordan galakser med relativt store masser udvikler sig.

De viser, at hvis en galakse, der har gennemgået et sammenstød, har en masse to til tre gange større end Mælkevejens, vil det være sværere for den tunge galakse end for mindre galakser at gendanne spiral-strukturen.

Mælkevejen og Andromeda skaber ikke en ny galakse

Så når Mælkevejen og vores større nabo, Andromeda, kolliderer om ca. fire milliarder år, vil den nye galakse sandsynligvis ikke være i stand til at gendanne en spiralstruktur, men i stedet ende som en elliptisk galakse.

Årsagen er, at Andromeda i dag har omtrent dobbelt så stor en masse (altså massen af dens stjerner) som Mælkevejen, så efter deres sammenstød vil den samlede masse være mindst tre gange større end Mælkevejens nuværende masse.

Dermed støttes den klassiske teori, der siger, at Mælkevejen og Andromeda vil ende som en stor elliptisk galakse.

Alt i alt har vi i det dansk-ledede studie vist, at den gængse teori om, at et galakse-sammenstød altid fører til dannelsen af en elliptisk galakse, ikke holder.

En galakse, der har gennemgået et sammenstød, kan få tilført gas fra den omkringliggende storskala-struktur, og dette kan føre til dannelsen af en ny spiralstruktur - altså flere nye stjerner.

Dette er dog kun sandsynligt for galakse-sammenstød af galakser med en masse mindre end eller en størrelse sammenlignelig med Mælkevejens.

Med andre ord kan vi ikke forvente, at der dannes nye stjerner, efter vi har stødt sammen med Andromeda om fire milliarder år.

Martin Sparres forskning er især finansieret af en bevilling fra Det Frie Forskningsråds ’forskertalent pris’ i 2014. Denne Forskerzonen-artikel er primært baseret på denne videnskabelige artikel af Martin Sparre og Volker Springel. Se flere kilder nedenfor.​