Modeller afslører galaksers fascinerende udvikling

Hvordan arbejder astronomer egentlig? Ja, de studerer universet og alle dets bestanddele og fænomener, men hvordan?

Enhver kan jo sætte sig og kigge i et teleskop, men vil vi forstå, hvad det er, vi ser, må vi gå et skridt videre.

Grundlæggende tror vi, at universet kan beskrives ved nogle fysiske sammenhænge, og vores job går så ud på at afsløre de bagvedliggende lovmæssigheder.

Men hvorfor er det vigtigt at forstå? Hvorfor kan vi ikke bare nyde universets skønhed uden at skulle sætte det på formler?

Det kan vi også sagtens, men galakser og stjerner bliver ikke mindre skønne af at få afsløret deres inderste hemmeligheder. Tværtimod!

Mennesket opnår en grundlæggende tilfredshedsfølelse af at forstå. Ikke bare at acceptere, hvad der sker omkring os, men at forstå, hvorfor det sker; ikke alene i forhold til universet, men i alle livets sammenhænge.

I denne artikel vil vi se nærmere på, hvordan det er muligt at opnå viden om noget så fantastisk, smukt, og ikke mindst fjernt som galakser.

Denne erkendelse bliver en rejse i både tid og rum, men det bliver en lidt kompleks rejse med lidt flere uvante begreber, end læseren måske er vant til, så spænd sikkerhedsselen.

Vi tester vores teorier på selvbyggede modeller

I meget grove træk kan man dele astronomi op i teoretisk og observationel astronomi, men de to går (næsten) altid hånd i hånd.

For at fortolke vores observationer må vi have en teoretisk forståelse af de underliggende fysiske processer, der skaber det, vi ser.

Teorier skabes på baggrund af observationer og kan omvendt bruges til at forudsige, hvad man kan forvente at se.

Med vores teorier kan vi efterhånden bygge en model af (et begrænset område af) universet.

En model af eksempelvis en galakse er altså ikke en 3D-konstruktion af pap og lim, men et sæt af matematiske og fysiske sammenhænge, som beskriver en række af galaksens egenskaber ud fra noget 'input-viden'.

Et eksempel kunne være, at man havde en model, som fortæller, hvor mange stjerner en galakse danner om året, hvis du som input giver modellen galaksen farve og lysstyrke.

Jo mere en model er i overensstemmelse med alle mulige observationer, des mere tror vi på modellen.

\ Læs mere

Store opdagelser: Et univers af galakser

Jagten på 'den Fundamentale Plan'

Vores forskningsenhed Cosmic Dawn Center er et grundforskningscenter i astronomi, som er dedikeret til at studere galaksers dannelse og udvikling, især de tungeste elliptiske galakser (i modsætning til de måske mere velkendte spiralgalakser).

Centeret er en samling af cirka 50 forskere og studerende og hører under både Niels Bohr Institutet på Københavns Universet og Institut for Rumforskning og Rumteknologi på DTU.

At forske i galakser involverer at analysere de mulige sammenhænge mellem galaksernes fysiske egenskaber – for eksempel deres størrelse, stjernepopulationer, støvmængde, rotation, morfologi, og alt mulig andet.

Det viser sig, at der i det 'nutidige' univers er en tæt sammenhæng mellem tre sådanne egenskaber, nemlig galaksernes størrelse, masse, og lysstyrke.

Med andre ord, hvis du måler to af dem, får du næsten den tredje gratis.

Den sammenhæng kendes i astronomi som 'den Fundamentale Plan'. Ikke en 'plan' i bedste Olsenbande-stil, hvor galaksernes egenskaber afsløres ved hjælp af en rulle ståltråd, en banan og 6.000 balloner.

Men en plan, fordi disse egenskaber, når de plottes ind som punkter i et tredimensionalt koordinatsystem, ikke ligger tilfældigt spredt ud, men i stedet i et ret fladt, todimensionalt område.

Sådan et område kaldes matematisk 'en plan', og ja, det er fælleskøn, ikke intetkøn. Bekymr dig ikke, hvis du synes, det lyder forvirrende; vi kommer tilbage til det længere nede, hvor vi visualiserer 'Planen'.

For at relatere disse tre sammenhænge må vi lige definere dem ordentligt:

Sådan definerer vi galaksers størrelse

Galakser er et mix af stjerner, gas og støv, såvel som det usynlige mørke stof.

Tætheden af disse komponenter falder fra midten og ud, men du kommer aldrig til et punkt, hvor de når nul.

Men hvordan definerer vi så størrelsen af en galakse?

Der er ingen 'korrekt' måde at angive dens størrelse på, og forskellige definitioner bruges, afhængigt af hvad man bruger den til.

Én måde kunne være at definere dens radius som dét område, inden for hvilket en bestemt brøkdel (for eksempel 99 procent) af dens masse findes. Men det er ikke helt let at bestemme, observationsmæssigt – vi vejer ikke galakser, vi observerer deres lys.

Derfor bruges typisk en anden definition, nemlig radiussen af dét område, inden for hvilken halvdelen af dens lys udsendes.

Forvirret? Det vigtige er bare at have styr på, hvilken definition vi bruger, så vi kan sammenligne galakserne med hinanden.

\ Læs mere

Dansk forsker forklarer enorme galakser i det tidlige univers

Galakser lyser primært, fordi de er fulde af stjerner. Hvis det skal være helt rigtigt, giver den Fundamentale Plan sammenhængen mellem galaksernes størrelse og:

1. galaksernes overfladelysstyrke — det vil sige lysstyrken per areal
2. hastigheden af de stjerner, der bevæger sig rundt indeni dem.

Men da arealet afhænger af størrelsen, og stjerners hastigheder afhænger af galaksernes masse (stjerner bevæger sig hurtigere i tunge galakser), kan vi bruge lidt finurlig algebra til at udtrykke den Fundamentale Plan i termer af størrelse, lysstyrke og masse.

Det kan være lidt lettere at forholde sig til.

Hvor størrelse og lysstyrke kan måles relativt let, er det sværere at bestemme massen. Især fordi størstedelen af en galakse er mørkt stof. Og selvom mørkt stof ikke kan ses, påvirker det stjernernes hastigheder.

\ Læs mere

Hvad er mørkt stof?

Gådefuld forbindelse mellem egenskaber

Hvad er oprindelsen til denne tætte sammenhæng mellem galaksernes størrelse, masse, og lysstyrke – altså det, vi kalder den Fundamentale Plan? Har det altid været sådan?

Hvis ikke, hvornår udviklede galakserne sig så til at etablere dette forhold? Og hvordan udvikler forholdet sig med tiden?

Det er sådanne spørgsmål, som optager os astronomer på Cosmic Dawn Center. Her undersøger vi blandt andet den Fundamentale Plan og især dens udvikling.

Et nyt studie, der netop er udgivet i tidsskriftet The Astrophysical Journal, presser observationerne tilbage til hidtil uudforskede tidlige tider i universets historie.

De tre egenskaber er åbenbart forbundne i en smal Plan, og altså ikke fordelt over alle mulige værdier. Det er måske ikke så overraskende i sig selv, men når Planen findes ikke bare i dag, men også i fortiden, begynder det at blive interessant.

Et kig 10 milliarder år tilbage i tiden

Hvis sådan en Plan eksisterer, fortæller det os, at de her galakser udvikler sig på samme måde. Og jo tidligere epoker, vi ser Planen ved, desto tidligere må denne slags galakser være dannet.

Eftersom galakser udvikler sig på tidsskalaer over hundreder af millioner af år, kan astronomer jo desværre ikke følge udviklingen i real-tid.

Men vi kan noget, der er sejere: Vi kan nemlig kigge tilbage i tiden!

Fordi lyset bruger tid på at rejse gennem rummet, ser vi alt, som det skete i fortiden. Jo længere væk, det, vi ser på, er, jo længere siden skete det.

Derfor ser astronomer milliarder af år tilbage i tiden, når vi kigger rigtig langt ud i universet, og sådan kan vi undersøge, hvad der skete i tidligere epoker.

Ved at sammenligne de elliptiske galaksers fysiske egenskaber i dag (det vil sige 'lokale' galakser, hvor lysets ikke har rejst i så lang tid) med egenskaberne af galakser milliarder af lysår væk, kan vi danne os et billede af deres udvikling.

Fidusen er så at opbygge en fysisk model, som forklarer, hvordan de elliptiske galaksers størrelse, masse og lysstyrke udvikler sig fra for 10 milliarder år siden til i dag – altså, hvordan den Fundamentale Plan udvikler sig.

Modellen bygger på vores forståelse af, hvordan galakser bygges op, udviklingen af stjernepopulationer, blandingen af mørkt stof med 'almindeligt' stof, og andet velfunderet fysik.

'Passiv' og 'aktiv' udvikling

Det nye studie gør rede for, hvordan galakser udvikler sig simultant gennem flere forskellige mekanismer:

Den første mekanisme kan man kalde passiv udvikling, da den finder sted gennem 'interne' processer. Af grunde, som er et helt studie i sig selv, ophører elliptiske galakser i et tidligt stadie med at danne stjerner.

Dette er i kontrast til de mere aktive spiralgalakser – som eksempelvis vores egen Mælkevej – der bliver ved med at danne stjerner. Med tiden dør flere og flere stjerner ud, hvilket vil sige, at galaksens lysstyrke falder.

Samtidig vokser galakserne også gennem både jævn tilvækst af ny gas og mørkt stof fra det intergalaktiske medium, samt ved at sluge mindre galakser.

Denne mekanisme ændrer aktivt galaksens struktur, hvilket øger både dens masse og den radius. Når der kommer flere stjerner, stiger lysstyrken også, men massen stiger hurtigere, så forholdet mellem masse og lysstyrke stiger.

I princippet kunne man forestille sig, at dette bombardement med mindre galakser også ville øge stjernernes hastigheder.

Men teoretiske og numeriske beregninger viser, at det ikke er tilfældet, og for nylig bekræftede vi disse beregninger observationelt.

\ Læs mere

Dværggalakse sladrer om det tidlige univers

Visualisér den Fundamentale Plan med x- og y-akser

Vi indrømmer, at konceptet 'den Fundamentale Plan' er temmelig abstrakt.

Så lad os prøve at visualisere den, ligesom man for eksempel kan visualisere byers længde- og breddegrader som prikker på et kort, eller euroens kurs i et koordinatsystem med tid på x-aksen og kroner på y-aksen.

Disse to eksempler kan opfattes som todimensionale 'rum'. At visualisere den Fundamentale Plan er lidt mere tricky, fordi den består af tre variable (størrelse, masse og lysstyrke), og dermed danner et tredimensionalt 'rum'.

Derfor betragter vi ofte blot to variable ad gangen. Alternativt kan betragte et slags 'mix' mellem to af de variable og sammenligne det med den tredje.

Et eksempel på dette ville være at sammenligne masse-lysstyrke-forholdet – det vil sige en galakses masse divideret med dens lysstyrke – med dens størrelse. Det kan man se på figuren nedenfor.

Der sker en masse i denne figur, så lad os se nærmere på den:

De orange ellipser repræsenterer galakser. Jo længere de er mod højre, jo større er de, ifølge vores observationer. Dette er den ene af vores tre variable.

At være højt oppe i diagrammet kan enten betyde, at de er tungere, eller at de er mindre lysstærke. Eller begge dele. Dette er de to andre variable.

Galakserne falder i to grupper:

Gruppen i bunden viser de observerede egenskaber af fjerne galakser; så fjerne, at vi ser 10 milliarder år tilbage i tiden.

Gruppen i toppen repræsenterer lokale galakser, dvs. hvor vi ser dem nogenlunde, som de er i dag.

I begge tilfælde ser man, at galakserne falder i et ret snævert interval – dette er faktisk den Fundamentale Plan 'set fra siden', så at sige (hvis dette ikke rigtig giver mening, så prøv at se 3D-versionen).

En model for galaksernes udvikling

Det store spørgsmål er nu følgende: Hvordan gik galakserne fra at befolke et område nederst til venstre i dette diagram for ti milliarder år siden til i dag at befolke området øverst til højre?

Vi tror, vi har en forklaring.

De to mekanismer forklaret længere oppe er afbildet henholdsvis som en rød pil (den passive udvikling, som får lysstyrken til at falde og derfor skubber galakserne op), og en blå pil (den strukturelle ændring, som øger massen og størrelsen og derfor skubber galakserne både op og til højre).

Hvis vi gerne vil forstå, hvordan og hvornår disse galakser blev født – hvilket er noget, den Fundamentale Plan kan hjælpe os med – kan vi finde ud af, hvilke slags galakser vi må studere for at finde forfædrene til dem, som senere bliver de tungeste galakser i universet.

Vi kan studere, hvordan de blev dannet og dermed bedre forstå galaksers udvikling.

Mørkt stof er brikken, der mangler

Disse mekanismer – altså galaksernes passive og aktive udvikling – kan forklare det meste af udviklingen over de sidste ti milliarder år. Det meste, men ikke det hele.

Når man regner ordentligt efter, ser det ud til, at vi stadig 'har brug for' at skubbe galakserne en lille smule længere op i diagrammet. Altså, de galakser vi observerer i det nuværende univers er enten lidt lyssvagere, eller lidt tungere, end vores model antyder.

Så lad os prøve at tilføje noget mørkt stof.

Som tiden går, har galakserne en tendens til at 'kondensere'. Det vil sige, at stoffet har en tendens til at koncentrere sig i midten af galaksen.

Mørkt stof er en del af den totale masse, men det udsender ikke lys, og det kan ikke indgå i sammenstød, hverken med sig selv eller med normalt stof.

Fordi det normale stof (primært gas) kan støde sammen, har det lettere ved at kondensere og falde til ro i de centrale dele af galaksen, end mørkt stof har.

Derfor dominerer almindeligt stof i centrum, mens jo længere du rejser væk fra centrum, desto mere dominerer mørkt stof.

Det betyder så, at jo større radius vi måler galaksens lys indenfor, desto mere masse, men ikke mere lys, måler vi. Med andre ord, forholdet mellem de to stiger.

Dette er nok til at skubbe den Fundamentale Plan op, hvor den 'burde' være, altså, hvor vi observerer den.

Vi kan altså ikke få observationerne til at passe uden at inkorporere vores forståelse af mørkt stof.

Denne mekanisme er afbildet i diagrammet med en sort pil.

\ Læs mere

Podcast: 85 procent af vores univers består af mørkt stof, som vi ikke aner, hvad er

Ny model giver mulig forklaring på galaksernes udvikling

Universet følger på ingen måde ligestillingsprincipperne. De største og tungeste galakser trækker med deres enorme tyngdekraft mere stof til sig og vokser sig større og tungere, hvilket blot fremskynder vækstprocessen.

Elliptiske galakser har — udover deres enorme masser og størrelser — også aktive sorte huller og er nogle af universets flotteste og mest mystiske galakser.

'Vores' elliptiske galakser lever forud for deres tid, og deres udvikling kan bruges som laboratorier til at forudsige andre galaksers skæbne, måske endda vores egen galakse, Mælkevejen.

Vi har altså skabt en ny model, som både kvalitativt og kvantitativt kan forklare galaksernes position i diagrammet til forskellige tider.

Hvor man tidligere troede, at de gigantiske, men 'døde', elliptiske galakser blev dannet 2-3 milliarder år efter Big Bang, indikerer vores resultat, at de må være dannet endnu tidligere.

Med det nye James Webb Rumteleskop —også kaldet 'Hubbleteleskopets efterfølger' — som efter planen sendes op til oktober, vil vi være i stand til at gentage denne øvelse endnu længere tilbage i tiden, omkring 1,5 milliarder år efter Big Bang.

Om den Fundamentale Plan eksisterede allerede dengang, vil tiden vise.

En artikel der beskriver denne model er netop blevet udgivet i tidsskriftet The Astrophysical Journal, og er frit tilgængelig her.

\ Læs mere

Hvad får de sjældne goplegalakser til at danne tentakler?

\ Læs mere

Hvad er en galakse?

\ Læs mere

Hvordan opstår galakser?

\ Læs mere

Big Bang – en øjenvidneberetning