Hvad er en galakse?

Når du står en mørk nat og kigger op på nattehimlen, ser du stjernerne spredt ud i alle retninger. Nok er der lidt flere hér end dér, men i det store hele ser stjernerne ud til at være nogenlunde jævnt fordelt på himlen.

Men hvis du står et rigtig mørkt sted, kan du se et lysende bånd brede sig henover himlen, og retter du en kikkert mod dette bånd, kan du se, at i denne retning er der mange flere stjerner.

Den første, der gjorde dette, var den italienske videnskabsmand Galileo Galilei, og han kunne derved bekræfte den over 2.000 år gamle formodning, at båndet – der i årtusinder var blevet kaldt ‘Mælkevejen’ efter det græske ord galaxías kýklos (‘Mælkecirklen’) – bestod af et utal af fjerne stjerner.

Ideen om at vores solsystem lå inde i en fladtrykt klump af stjerner begyndte at tage form; kigger man langs med ‘skiven’ ses mange stjerner, mens der ikke ses så mange, når man kigger væk fra den.

Udover stjerner kunne man også se nogle tågede klatter, som man i starten regnede med lå inde i Mælkevejen. Man troede simpelthen, at Mælkevejen var alt, der var – at den var vores univers. Men den tyske filosof Immanuel Kant foreslog, at Mælkevejen blot var vores univers, mens tågerne var fjerne ‘ø-universer’, langt fra vores.

På dette tidspunkt var sådanne tanker ret spekulative, men med opfindelsen af kameraet og større teleskoper gik det for bare 100 år siden op for astronomer, at vores galakse – som disse ø-universer nu kaldes – blot er én af tilsyneladende uendeligt mange klumper af stjerner, som roterer om hinanden, holdt sammen af tyngdekraften.

Hvor der typisk er nogle få lysår mellem stjernerne inde i en galakse, måles afstandene mellem galakserne nærmere i millioner af lysår. Mellem dem er der så godt som ingenting – omtrent ét atom per kubikmeter.

De mindste galakser har nogle millioner stjerner, mens de største har flere billioner. Mælkevejen, som kan betragtes som en typisk galakse, har nogle hundrede milliarder stjerner.

I denne artikel vil jeg forklare, hvad en galakse er, hvad den består af, og hvilke slags der findes. I en kommende Forskerzonen-artikel ser vi så nærmere på, hvordan de er blevet skabt.

Hvad er galakserne lavet af?

Der er en fem-seks elementer, man kan pege på som galaksernes ‘byggesten’: Stjerner, gas, støv, supertunge sorte huller, mørkt stof, og måske planeter.

Stjerner er der som sagt masser af. Stjerner lever længe, men ikke evigt. Når de løber tør for brændstof og dør, efterlader de hvide dværge, neutronstjerner, eller sorte huller.

Men selvom det oftest er stjernerne, der gør, at vi overhovedet kan se galakserne, er stjernerne faktisk kun en lille del af en galakses samlede masse.

Stjerner er lavet af gas, det vil sige atomer. Men mellem stjernerne – i det såkaldte interstellare medium – ligger der også masser af gas.

For små galakser kan der være lige så meget interstellart gas som stjernegas, mens andelen falder, jo større galaksen er.

Det interstellare medium er delt op i forskellige faser. Nogle områder er diffuse og ekstremt varme; millioner af grader. Her er gassen ioniseret, det vil sige, de fleste atomer har fået revet én eller flere elektroner af, på grund af den høje temperatur.

Andre områder er tættere og køligere, omkring 10.000 grader.

Jo varmere gas er, jo højere bliver trykket, og jo mere udvider det sig (det er den samme mekanisme, der får en varmluftsballon til at stige til vejrs).

Omvendt hvis gassen køler rigtig meget af (til omkring 100 grader Kelvin, det vil sige minus et par hundrede °C) fås tætte og meget kolde molekylskyer – det er dér, de nye stjerner dannes.

I Big Bang blev der stort set kun skabt brint- og heliumatomer, hvilket jeg har skrevet meget mere om i Forskerzonen-artiklen ‘Big Bang – en øjenvidneberetning‘.

Men når stjerner brænder ud og dør, giver de en del af deres gas tilbage til det interstellare medium – nu forurenet med tungere grundstoffer (som astronomer under ét kalder ‘metaller’, selvom det nok skurrer lidt i ørene på en kemiker).

Nu om dage er efterhånden omtrent to procent af gasmassen blevet lavet om til metaller, og ca. 1/3 af dette er klumpet sammen til støvkorn.

Planeterne er en forsvindende lille del af galaksen

Når en stjerne fødes, dannes en skive af gas og støv omkring den. Støv kan klumpe samme og danne småsten, som kan danne større sten, som kan danne planeter.

I det samlede massebudget er planeterne en forsvindende lille del af en galakse, men de er nok nødvendige for at der kan opstå liv, så de er spændende nok alligevel.

Siden, at man fandt de første planeter udenfor vores solsystem for bare 25 år siden, har det vist sig, at stjerner med planeter nærmere er reglen end undtagelsen – vi er nu oppe på at have fundet over 4.000 exoplaneter (planeter om andre stjerner end Solen).

Supertunge sorte huller og mørkt stof

I midten af de fleste galakser ligger et ‘supertungt sort hul’. Disse sorte huller kan veje millioner eller milliarder af Solmasser (i astronomi vejer alting ofte så meget, at det bliver uoverskueligt at måle i gram eller kilo, så i stedet måler vi i Solmasser, det vil sige så meget, som Solen vejer, hvilket er to billiarder billiarder kilo).

Tyngdekraft-mæssigt betyder de ikke det store ift. resten af galaksen, men i en periode kan det sorte hul skabe en ‘aktiv galaksekerne’, eller en kvasar, som kan blæse en betragtelig del af galaksens stof helt ud af galaksen.

Somme tider kan disse udblæsninger tømme galaksen for gas i en sådan grad, at det sætter en stopper for ny stjernedannelse.

Men alt det ovenstående tilsammen udgør alligevel kun ca. 1/6 af den samlede masse. Størstedelen af en galakse er i virkeligheden noget helt andet, nemlig mørkt stof.

Det mørke stof adskiller sig fra det ‘normale’ stof ved, at det kun vekselvirker med tyngdekraften. Det vil sige, at det hverken påvirkes af, eller udøver, elektromagnetiske kræfter eller kernekræfter, så det kan ikke udsende for eksempel lys, og det kan ikke støde sammen.

Det er netop, fordi det ikke udsender lys, at det kaldes mørkt stof. Derfor kan vi ikke se det, men kun se den effekt, det har på stof, som vi kan se — det påvirker nemlig det ‘lyse’ stof med sin tyngdekraft.

Det normale stof kan køle og blive til en tæt galakse, men det mørke stof har sværere ved at klumpe sammen og ligger derfor i en meget større halo rundt om den synlige del af galaksen.

Det, vi ser som en galakse, er altså kun en brøkdel af, hvad er en galakse i virkeligheden er. Figuren her viser nogenlunde størrelsesforholdet mellem Mælkevejens komponenter.

Galakse-zoo

Galakserne kan se ud på mange forskellige måder, men overordnet set kommer de i tre varianter:

1. Spiralgalakser
2. Elliptiske galakser
3. Irregulære galakser

Alle slags galakser har dog flere undergrupper, og der findes mellemting – og så findes der nogle, der er sådan lidt udenfor nummer.

En galakses udseende kaldes dens morfologi. Vil man studere galaksers udvikling, er det praktisk at klassificere dem efter deres type, men ofte er det lidt subjektivt, hvordan den enkelte astrofysiker inddeler galakser morfologisk, fordi der er glidende overgange mellem de forskellige typer.

Hvis du har lyst til at hjælpe astronomer med at klassificere galakser, kan du gå ind på galaxyzoo.org og være med til at bestemme.

Så sent som sidste år ledte resultatet af denne astro-crowdsourcing til, at vi måtte revidere vores forståelse af, hvordan spiralgalaksernes arme opfører sig (se her for en populærvidenskabelig gennemgang).

Men lad os se lidt nærmere på, hvilke slags galakser der findes.

De majestætiske spiralgalakser

Spiralgalakser er de smukkeste, synes jeg. De er karakteriseret ved at have en rød-orange kerne, eller ‘bule’, og nogle blåhvide spiralarme, som ligger i en flad skive.

Inde i spiralarmene er der kun 2–3 gange så mange stjerner som mellem dem, men fordi der her foregår aktiv stjernedannelse, er de meget klarere. Og fordi der stadig er de store stjerner tilbage — som lyser blåligt, men brænder hurtigt ud — får armene denne farve.

Cirka 2/3 af spiralgalakserne har en bjælkeformet struktur, som går ud fra bulen. Bjælken er nok en form for tæthedsbølge, ligesom spiralarmene er, og kan ‘suge’ gas ind fra spiralarmene, som kan bruges til at skabe nye stjerner.

Denne gas kan også nære et supertungt sort hul i midten, så den bliver til en aktiv galaksekerne eller en kvasar.

Universets giganter: Elliptiske galakser

Elliptiske galakser er, tror vi, resultatet af sammensmeltningen af flere mindre (proto-)galakser. Ved disse sammenstød stiger stjernedannelsen først voldsomt, og man får ét eller flere ‘starbursts’.

Den kraftige stjernedannelse kan bruge det meste af gassen op på én gang, og selve sammenstødet samt stjerne- og supernovavinde blæser resten ud, så det bliver svært at danne nye stjerner. Der er derfor kun de gamle stjerner tilbage, og da gamle stjerner er rød-orange, er det denne farve elliptiske galakser får.

Denne såkaldte ‘quenching’ efterlader altså en rød og død galakse.

De største galakser i universet er elliptiske, og kan blive mere end ti gange så tunge som Mælkevejen. Disse galaktiske monstre ligger oftest i midten af store galaksehobe; altså samlinger af hundreder eller tusinder af galakser, der er bundet sammen af tyngdekraften.

Og så er der alle de andre typer galakser

Nogle galakser, især de mindre, er hverken elliptiske eller skiveformede, men har en helt anden form. Disse galakser kaldes irregulære.

Den irregulære form skyldes oftest sammenstød, eller nær-sammenstød, med andre galakser.

Irregulære galakser er normalt små, da større galakser bedre kan modstå at blive revet rundt af en anden galakse.

En anden type er linsegalakser, som er en mellemting mellem elliptiske og spiralgalakser: De har lidt spiralstruktur, men også en tydelig elliptisk halo.

Jo større og tungere en galakse er, jo sjældnere er den. De fleste galakser er derfor dværggalakser, som så kan deles op i dværgspiraler, dværgellipser, dværg-irregulære, og dværg-sfæroidale galakser.

Ringgalakser har en bule som spiralgalakserne, og en noget større ringstruktur af stjerner. De er måske skabt af, at en anden galakse har smadret durk igennem midten af en spiralgalakse, men de er ret sjældne og derfor ikke så velstuderede.

For nylig fandt astronomer dog den hidtil fjerneste af disse sære galakser med evidens for, at et kosmisk ‘hit-and-run’ fandt sted for 11 milliarder år siden.

Hvordan disse enigmatiske klumper af stjerner, gas, støv og mørkt stof blev skabt i første omgang, er en længere historie, som du kan læse mere om i den kommende og anden del af denne beretning om galakser her på Forskerzonen.