Melkeveien og mørk materie

1. Melkeveien og mørk materie AST1010 - Forelesning 17 Oppdagelsen av galaksene. Vår Melkevei og andre galakser. Struktur, oppbygging, aktive kjerner, spiralarmer. Mørk materie og gravitasjonslinsing. AST1010 - Melkeveien

2. AST1010 - Melkeveien

3.  Skisse av M51 en flott spiralgalakse. Skissen er laget av Lord Rosse. Et moderne fotografi av M51 i stjernebildet Jakthundenene. Avstand til M51 er 20 million lysår (Mly).

4. Den store debatten • Spørsmål: Er spiralskyene fjerne stjerne-systemer som vår Melkevei eller tilhører de Melkeveien? • Immanuel Kant mente i 1755 at de var fjerne stjernesystemer. • Offentlig debattert av Curtis og Shapley i 1920. • Først i 1924 målte Edwin Hubble avstanden til Andromeda galaksen – vår nærmeste nabo – ved hjelp av Cepheider. • GALAKSENE ER LANGT BORTE – ET ENDRET VERDENSBILLED. AST1010 - Melkeveien

5. AST1010 - Melkeveien

6. Cepheide variasjon - pulsasjon Lysstyrke (m) og Radius (R/R0) og temperatur (K). radial hastighet (km/s)

8. Igjen om Cepheidene som avstandsmålere En Cepheide i aksjon i galaksen M100. Perioden er litt over 30 dager. Relasjonen mellom periode og lysstyrke for Cepheider.

9. Supernova type Ia og avstander • Cepheidene kan anvendes ut til 50 million lysår. • Det er behov for å måle mye større avstander. • Supernovaer av type Ia frigjør en energimengde frigjort ved fusjon av 1.4 solmasser karbon. • Det betyr at alle SN Ia er tilnærmet like sterke. • SN Ia kalibrert til Mmax=-19.9 fra avstander målt ved bruk av Cepheider. • Avstand bestemt fra måling av tilsynelatende magnitude og ligning for distansemodul mmax – Mmax = 5 log dpc – 5. AST1010 - Melkeveien

10. Herschels bilde av MelkeveienMerk at for Herschel er vi i sentrum. Dette fant Herschel fra å plotte stjerners posisjon i mange retninger mot lysstyrken, som han tok som en indikator på avstand. AST1010 - Melkeveien

11. Melkeveiens deler: • Galactic nucleus – galaksens • kjerne. • Central bulge – sentral- • utbulningen. • Disk – galakseskiven • Globular clusters – kule- • hoper, finnes i haloen (s.d.). • Spiral arms – spiralarmer • har navn etter • stjernebilder. • Halo – stort kuleformet • område som mer enn • omslutter hele galaksen.

12. Melkeveiens dimensjoner • Galakseskivens diameter er ca. 120,000 Ly og den er 2000 Ly tykk. • Sentralutbulningens diameter er 20,000 Ly og består av både populasjon I og II stjerner. • Spiralarmene ligger i skiven og består vesentlig av populasjon I (unge) stjerner. • Kulehopene finnes i galaksens halo og består av populasjon II (gamle) stjerner, ca 160 av dem. • Halo har stjerner utenom kulehopene – 99% av halostjernene er frittsvevende. • Melkeveien har totalt ~200 milliarder stjerner. AST1010 - Melkeveien

13. Hvor i melkeveien er vi? • Harlow Shapley benyttet RR Lyrae variable til å måle avstanden til 69 kjente kulehoper • Fant at senteret for kulehopenes fordeling ikke lå nær jorda, men 65,000 lysår unna (korrekt verdi 27,000 lysår). • Identifiserte dette stedet med sentrum for galaksen AST1010 - Melkeveien

14. Banebevegelser i galaksen Banene til halostjerner og kulehoper ligger i alle mulige baneplan. Stjerner, skyer og hoper i skiven går i baner som ”vipper under og over skivens midtplan. AST1010 - Melkeveien

15. Utviklingshistorie – haloen • Galaksen er dannet fra en roterende sky av gass som senere falt sammen til en skive i sitt eget tyngdefelt. • Kulehopene og de frie halostjernene ble dannet før skiva – derfor er dette gamle stjerner med lavt metallinnhold (populasjon II). • Kulehoper og halostjerner fikk baner med baneplan i alle mulige vinkler og har i tidens løp forstyrret hverandre slik at banene nå er i høy grad vilkårlige. AST1010 - Melkeveien

16. Utviklingshistorie – galakseskiva • Melkeveiens skive inneholder gass og støv – nye stjerner dannes stadig. • Materialet for stjernedannelse er anriket: • grunnstoffer tyngre enn helium er spredt fra supernovaer og båret med stjernevind fra kjempestjerner med karbon. • Spiralarmer lages – vi kommer tilbake til dette. • Stjerner dannes i løse assosiasjoner og i åpne hoper som varer høyst noen hundre millioner år. • Populasjon II stjerner krysser galakseskiven og beveger seg raskt relativt til populasjon I stjernene, som mer følger hverandre i omløpet rundt melkeveiens sentrum. AST1010 - Melkeveien

17. Man har funnet halo stjerner med ekstremt lavt metall innhold AST1010 - Melkeveien

18. Mye gass og støv i Melkeveiens sentralplan/skive Skyer av støv og gas skygger for stjerner AST1010 - Melkeveien

19. Kartlegging av galaksen:21 cm radiostråling fra nøytralt hydrogen AST1010 - Melkeveien

20. Skyer i armene skilles vha. Doppler effekten da de har forskjellig hastighet AST1010 - Melkeveien

21. AST1010 - Melkeveien

22.  M83 i synlig lys. Spiralarmene markeres klart av O og B stjerner og H II områder. M83 i 21 cm stråling. Spiralarmene er mer utydelige og diffuse enn i bildet over. 

23. AST1010 - Melkeveien

24. Sentralområdet i galaksen AST1010 - Melkeveien

25. Sentralområdet i større detalj AST1010 - Melkeveien

26. AST1010 - Melkeveien

27. Galaktisk rotasjon • Melkeveien roterer. Hvis ikke ville den falle sammen. • Solas omløpstid rundt Melkeveiens sentrum er 225 x 106år som gir ~1011 Msol innenfor en avstand av 26,000 lysår fra sentrum, fra Keplers 3dje lov har man a3/P2 = M(a) hvor M(a) er massen innenfor avstand a fra senteret. • Fordelingen av synlig masse med avstand fra galaksens sentrum, M(a), kan finnes fra stjernetellinger og masse-lysstyrke relasjonen. AST1010 - Melkeveien

28. AST1010 - Melkeveien

30. Rotasjonskurve for NGC3198

31. Foreløpig konklusjon på masseproblemet • Vår galakse inneholder store mengder masse som ikke lyser – dark matter. • 80% av massen som gir tyngdekrefter er slik mørk materie. • Bare 20% av massen finnes i form av stjerner og gass skyer. • Den mørke massen strekker seg lenger ut fra Melkeveiens sentrum enn den synlig massen. • Galaksens totale masse er 1012 Msol mens antallet stjerner regnes til 200 x 109. AST1010 - Melkeveien

33. To typer kandidater for mørk masse • Baryonsk masse: sorte hull, brune dvergstjerner, Jupiter-lignende fritt svevende planeter à slike hypoteser kan sjekkes ved ”mikrolensing”. • Ikke-lysende, ikke-baryonisk masse: nøytrinoer, samt diverse partikler med fantasifulle navn som WIMPs, photinos, axions etc. – ingen ennå påvist. AST1010 - Melkeveien

34. Hva er ikke-baryonsk masse - en ordforklaring • Vanlig materie bygges opp av protoner og nøytroner. • Disse er igjen baryoner – bygget opp av tre kvarker. • Ikke baryonsk masse kunne bestå av partikler med flere enn tre kvarker. • Kunne vi påvise slik masse? • Kunne vi lage den i akseleratorer? AST1010 - Melkeveien

35. Mikrolinsing – gir en sterk økning av lysstyrken når linsen når det beste fokus. Merk at det er et kortvarig fenomen, og sjeldent. Vanskelig å observere. Der er neppe mange nok brune dverger eller andre små himmelkropper til å svare for massen.

36. AST1010 - Melkeveien

37. Macho1 mikrolinsing Man behøver et rikt stjernefelt, for eksempel den Store Magellanske Sky som her. 1Macho – Massive Compact Halo Object

38. Mer om gravitasjonslinser og manglende masse Vi ser generelt på: gravitasjonslinser sammenheng mikrolinsing gravitasjonslinser hvordan man med gravitasjonslinser bestemmer manglende massen i fjerne galakser og galaksehoper. AST1010 - Melkeveien

39. Strålingen fra en sterkt lysende punktkilde langt ute i universet kan bli avbøyd på veien til oss av massen i en galakse eller en hop av galakser AST1010 - Melkeveien

41. Linsen er en galaksehop – multiple bilder danne bruddstykker av en ring

42. Det såkalte Einsteinkorset Linsen er en svak galakse – det dannes fire bilder av en bakenforliggende kvasar – variasjoner pga. mikrolinsing AST1010 - Melkeveien

43. Avbøyingen avhenger av massen i linsen Massen til linsen måles fra radien i Einsteinringen. AST1010 - Melkeveien

44. Gravitasjonslinsing og mikrolinsing • Mikrolinsing har samme årsak som gravitasjonslinsing – er en form for gravitasjonslinsing. • Forskjellen ligger i massen til linsen: galakser eller galaksehoper kontra stjerner, sorte hull, brune dverger eller planeter. • Mikrolinser splitter ikke opp kilden i bilder eller en ring, men lysstålene fra ulike retninger går sammen og danner et fokalt mønster som kan sveipe over jorda når mikrolinsen beveger seg i rommet.

45. Slutt på forelesning 2 Slutt på forelesning 16. Neste gang: Galakser generelt. AST1010 - Melkeveien