Mælkevejens galaktiske bjælke kan slå hul i stjernestrømme

Halvdelen af alle spiralgalakser, som vores egen Mælkevej, rummer en såkaldt galaktisk bjælke. Det er en samling af milliarder af stjerner, der sammen bevæger sig rundt i galaksernes relativt tynde stjerneskiver.

Forunderligt nok ved vi ikke særligt meget om galaksebjælken i Mælkevejen, da vi selv befinder os i selve skiven af galaksen og skal se gennem lag af støv, gas og stjerner for at studere den.

I denne artikel vil jeg beskrive en ny måde, hvorpå vi kan studere den galaktiske bjælke i vores egen galakse og samtidigt komme tættere på at forstå mørkt stof i Mælkevejen. Før vi kommer så vidt, må vi dog vide lidt om galakser i det hele taget.

Vi astrofysikere arbejder baglæns i tiden, når vi studerer galakser. Galakser er enorme samlinger af stjerner og gas forbundet i en spindelvævsagtig struktur af mørkt stof, der strækker sig over hele vores univers.

Ifølge vores nuværende forståelse har galakser opbygget deres masse ved at kollidere med og opsluge mindre galakser i løbet af universets levetid.

Heldigvis efterlader disse kollisioner stjernestrukturer og stjernestrømme (stellar streams), der overlever i flere milliarder år.

Ud fra vores forståelse af tyngdekraften tillader fordelingen og bevægelsen af disse stjernestrukturer, at astrofysikere kan arbejde baglæns i tiden og studere, hvor stjernerne engang var placeret, hvordan galakser har opbygget deres masse og undersøge, hvad der har påvirket stjernerne undervejs.

Mælkevejen er 100.000 lysår i diameter

Vores egen galakse, Mælkevejen (se figur 1), lader til at være en typisk spiralgalakse i universet, og den indeholder nogle hundrede milliarder stjerner, der bevæger sig rundt i en relativt tynd skive med en højere koncentration af stjerner samlet i spiralarme.

På figuren kan spiralarmene ses i stjerneskiven, og den galaktiske bjælke er illustreret som den gule klump i centrum af vores galakse.

Denne skive af stjerner er cirka 100.000 lysår i diameter. Altså tager det et lyssignal cirka 100.000 år at nå fra den ene ende af stjerneskiven til den anden.

Stjerneskiven er omsvøbt af en kugleformet halo af mørkt stof, hvoraf noget af dette mørke stof er låst fast i kugleformede klumper af forskellige størrelser.

Astrofysikere ved endnu ikke, hvad mørkt stof er, men vi kan indirekte måle dets indflydelse via tyngdekraften, når vi studerer, hvor hurtigt gas bevæger sig rundt i galakser, hvor hurtigt galakser bevæger sig rundt i galaksegrupper, og hvor hurtigt galaksegrupper bevæger sig rundt i galaksehobe.

Udover mørkt stof og stjerner består galakser også blandt andet af gas, støv, planeter, sorte huller og neutronstjerner.

Hvor stjernerne opfører sig anderledes

I modsætning til hvad man måske kunne tro, er der nogle astrofysiske fænomener, der er lettere at studere i andre galakser end i vores egen, selvom de andre galakser typisk er flere millioner eller milliarder lysår væk.

Et eksempel på sådan et fænomen er de såkaldte galaktiske bjælker (se centrum i figur 1). Galaktiske bjælker adskiller sig fra resten af galaksen, idet stjernerne i de galaktiske bjælker bevæger sig i andre baner end stjernerne i spiralarmene.

Stjernerne i de galaktiske bjælker bevæger sig også med en anden hastighed end stjernerne i spiralarmene. Med teleskoper kan vi observere galaktiske bjælker i andre galakser og ved at undersøge stjernetætheden, kan vi relativt let adskille de galaktiske bjælker fra resten af stjernerne i de eksterne galakser.

Vi kan også undersøge, hvor hurtigt stjernerne eller gassen i andre galaksers bjælker bevæger sig. Dog er det endnu ikke kendt, hvordan disse bjælker af stjerner præcis blev dannet, eller hvordan de udvikler sig.

Vi kan ikke se vores egen galaktiske bjælke

Astrofysikere har ved at tælle stjerner og måle lystætheden i forskellige retninger i vores egen galakse konkluderet, at Mælkevejen også har en såkaldt galaktisk bjælke.

På grund af vores placering i planet af vores egen galakse, hvor bjælken også befinder sig, har vi svært ved at adskille stjernerne i bjælken fra de omkringliggende stjerner.

Vi ved derfor ikke præcist, hvor lang bjælken er, hvor meget den vejer, eller hvor hurtigt den bevæger sig.

Det er ikke muligt at tage et billede af vores egen galakse oppe fra, fordi vi ville skulle rejse flere tusind lysår for at gøre dette. Den rumsonde, der indtil videre er kommet længst væk fra Jorden nogensinde, er Voyager 1, og den er ikke en gang kommet én procent af et lysår væk endnu!

Trækker stjerner ud af deres hob

I modsætning til den galaktiske bjælke, der bevæger sig rundt i Mælkevejens skive, så indeholder Mælkevejen også mere end hundrede såkaldte kuglehobe (klumper af stjerner), der kan lære os mere om den galaktiske bjælke.

Disse kuglehobe fordeler sig sfærisk rundt om hele galaksen. I den forstand er kuglehobene fordelt i en 'kugleform', der omgiver hele galaksen.

I vores egen galakse kan vi dog få en ide om, hvordan massen er fordelt i hele galaksen ved at studere, hvordan stjerner bliver hevet ud af kuglehobe (klumper af stjerner), mens de bevæger sig rundt om Mælkevejen.

Når disse stjerner bevæger sig rundt i baner om vores galakse, vil nogle af stjernerne slippe ud af kuglehobene på grund af tidevandskræfter fra hele Mælkevejens massefordeling (se et eksempel i figur 2).

Her ser man, hvordan disse strømme af stjerner som regel er lige lange i både deres ledende (fremadrettede) og bagudrettede strømme (se længdesymmetrien i længden af strømmene som set fra den orange kuglehob).

Forestil dig så at denne kraft var så stor, at oceanerne kunne blive hevet af Jorden. Dette ville ske fra begge sider. Det svarer til, hvad der sker for stjerner i kuglehobene.

Nogle stjerner føler en kraftpåvirkning fra Mælkevejen, der er større end kraften fra deres egen hob af stjerner. De kan dermed undslippe deres hob.

Dette vil skabe to lange symmetriske strømme af stjerner, der danner en ledende og en bagudrettet strøm af stjerner (se figur 2). Stjernerne i strømmene har en lidt anden energi end stjernerne i selve kuglehoben.

De stjerner, der er i den ledende arm, har en lavere energi, og de stjerner, der er i den bagudrettede arm, har en lidt højere energi, og disse stjerner vil komme henholdsvis længere foran og bagved selve hoben, som tiden går.

Palomar 5-stjernestrømmens mysterium

Palomar 5 er et eksempel på sådan en kuglehob, der har både en ledende og bagudrettet strøm af stjerner omkring sig (se figur 3).

Lige nu befinder den sig cirka 52.000 lysår over Mælkevejens stjerneskive, men klumpen af stjerner har bevæget sig i baner rundt om vores galakse i mange milliarder år og har tidligere flere gange pløjet igennem stjerneskiven.

Indtil for nylig havde man ikke kigget med teleskoper i den retning, hvor den ledende strøm fortsatte, men alle beregninger forudsagde, at den ledende og bagudrettede strøm af stjerner skulle være symmetriske og lige lange.

I en ny artikel fandt forskere til stor forundring ud af, at den ledende strøm af stjerner var meget kortere end den bagudrettede strøm, og dette kunne ikke forklares.

Kan mysteriet forklares med en bjælke?

Undertegnede har været med til at foreslå en ny forklaring, der går ud på, at den asymmetriske længde af strømmene kan forklares ved en tidligere interaktion med den galaktiske bjælke.

Palomar 5-stjernestrømmen er sammenlagt cirka lige så lang som afstanden fra Solen til centrum af vores galakse.

I takt med at Palomar 5-stjernestrømmen bevæger sig rundt om Mælkevejen, vil stjernerne i den ledende arm bevæge sig gennem Mælkevejens skive af stjerner (hvor bjælken befinder sig), før stjernerne i den bagudrettede strøm passerer skiven.

Fordi bjælken bevæger sig rundt med en bestemt hastighed vil nogle af stjernerne føle et gravitationelt 'slag' fra bjælken, når enden af bjælken svinger forbi stjernerne. Alle stjernerne i strømmen vil dog ikke nå at blive slået af bjælkens ende i en passage gennem stjerneskiven.

Selvom Palomar 5-stjernerne ikke direkte kolliderer med bjælken, så viste vi, at tyngdefeltet fra bjælken, der svinger forbi, har en påvirkning på stjernerne i strømmen.

Når bjælken svinger forbi, giver det de stjerner, der er foran bjælken, en smule mindre energi, da de bliver 'hevet tilbage' af bjælken.

Derimod vil de stjerner, der er bagved bjælken, når de bevæger sig gennem stjerneskiven, få lidt ekstra energi, fordi de bliver hevet frem af bjælken. Dette vil ændre på disse stjerners baner, og dette vil kun påvirke lige præcis de stjerner, der var i nærheden bjælken svingområde, idet stjernestrømmen passerede galakseskiven.

Kan studeres ved at studere Palomar 5

Det blev også vist, at dette er sket i Palomar 5's ledende strøm af stjerner for under en milliard år siden, hvilket kan forklare, hvorfor den ledende stjernestrøm nu ser ud til at være kortere.

Der er simpelthen blevet slået et 'hul' i stjernestrømmen, som vil blive ved med at vokse på grund af det skift i energi, stjernerne mærker, når den galaktiske bjælke svinger forbi dem.

Den præcise størrelse af dette hul vil afhænge af, hvornår hullet dannedes, hvor meget bjælken vejer, hvor hurtigt bjælken bevæger sig, og hvor hurtigt Palomar 5-strømmen bevæger sig.

Vi kan altså indirekte studere den galaktiske bjælke i vores egen galakse ved at studere, hvordan bjælken påvirker Palomar 5-stjernestrømmenes udsende.

Ud fra beregningerne i min artikel lader det til, at Mælkevejen har en enormt hurtigt roterende bjælke (den lader til at bevæge sig en gang rundt om sig selv på kun 100 millioner år, hvorimod Solen bruger cirka 220 millioner år på at nå en gang rundt i galaksen).

Dette er interessant, da andre forskere har forudsagt, at bjælken vil sænke farten under sin levetid – måske har vi altså en relativt nyligt formet bjælke i vores galakse?

Betydning for viden om mørkt stof

Opdagelsen af, at bjælken kan slå huller i stjernestrømme, der vokser over tid, har vigtige konsekvenser for kosmologien.

I vores nuværende forståelse af vores univers skal en galakse, som den vi bor i, være fyldt med klumper af mørkt stof med forskellige størrelser (se figur 4).

Disse klumper af mørkt stof er ekstremt vanskelige at finde, da de udelukkende består af det endnu udetekterede mørke stof. En foreslået metode til at detektere de mørke stofklumper er at søge efter dem indirekte gennem deres interaktion med netop stjernestrømme.

Man mener nemlig, at klumperne af mørkt stof også vil skabe huller i stjernestrømme, hvis de passerer gennem eller tæt ved stjernestrømmene.

Men bjælken kan som vist også lave disse huller. Man skal altså være forsigtig, før man drager konklusioner om mørkt stof ud fra huller i stjernestrømme.

Hvis man finder et hul i en af disse stjernestrømme, kan man derfor ikke længere gå ud fra, at dette var på grund af, at en klump af mørkt stof bevægede sig igennem den.

Man kan altså bruge stjernestrømme til at finde ud af, hvordan den galaktiske bjælke i Mælkevejen bevæger sig, hvor meget den vejer, og måske hvordan den er dannet.

Derudover er opdagelsen, af at bjælken kan slå huller i stjernestrømme, vigtig at have med, når vi vil teste teorier for mørkt stof.

Det vil være svært at se forskel på huller dannet fra den galaktiske bjælke og dem, der kunne være dannet af klumper af mørkt stof, men nye teleskoper kan hjælpe med dette (for eksempel Gaia rumteleskopet).

Dette er en let redigeret version af en artikel, Sarah Pearson har fået bragt i Kvant – Tidsskrift for Fysik og Astronomi. Læs seneste nummer her. Læs det nummer, hvori Sarah Pearsons artikel indgår, her.