Vetrarbrautaþyrpingar

Í geimnum eru mun fleiri litlir vetrarbrautahópar en stórar þyrpingar. Vetrarbrautin okkar, Andrómeduvetrarbrautin og Þríhyrningsvetrarbrautin eru stærstu meðlimirnir í hópi vetrarbrauta sem nefnist grenndarhópurinn (e. local group). Í grenndarhópnum eru meira en 40 vetrarbrautir, langflestar dvergvölur, á svæði sem er rúm 6 milljón ljósár í þvermál (~2 Mpc). Sennilega komum við aldrei til með að vita nákvæmlega heildarfjölda vetrarbrauta í grenndarhópnum því dvergvölurnar eru litlar og daufar og Vetrarbrautin okkar skyggir sömuleiðis á allstórt svæði á himninum.

Grenndarhópurinn tilheyrir enn stærri vetrarbrautaþyrpingu, Meyjarþyrpingunni sem svo er nefnd, en hún er nálægasta stóra vetrarbrautaþyrpingin. Í Meyjarþyrpingunni eru yfir 2000 vetrarbrautir á svæði sem er um 9 milljón ljósár í þvermál (3 Mpc). Birtumælingar á sefítum í vetrarbrautum Meyjarþyrpingarinnar sýna að hún er í um 59 milljón ljósára fjarlægð. Í miðri Meyjarþyrpingunni eru þrjár risasporvölur, sú stærsta M87.

1. Skrá George Abell

Árið 1958 birti Bandaríkjamaðurinn George Abell skrá yfir 2712 vetrarbrautaþyrpingar. Upp úr 1950 hafði 1,2 metra Schmidt-sjónaukinn í stjörnustöðinni á Palomarfjalli verið notaður til þess að ljósmynda himinhvolfið. Hver ljósmyndaplata náði yfir 6° af himninum en í heildina þöktu þær um 75% af himinhvolfinu, þar af stærstan hluta norðurhimins og hluta af suðurhimninum. Abell nýtti sér 879 af 935 ljósmyndaplötum í að útbúa skrána sína. Hann rannsakaði hverja og eina í leit að þyrpingum. Síðar juku samstarfsmenn hans við skrána þannig að hún innihélt stærri hluta af suðurhimninum.

Mynd Hubble geimsjónauka NASA og ESA af vetrarbrautaþyrpingunni Abell 2744. Mynd Hubbles sýnir miðsvæði þyrpingarinnar vel en hefur verið blandað við víðari mynd VLT sjónauka ESO. Mynd: NASA, ESA, ESO & D. Coe (STScI)/J. Merten (Heidelberg/Bologna) (sjá eso1120)

Skrá Abells markaði tímamót í rannsóknum á vetrarbrautaþyrpingum. Í fyrsta sinn höfðu stjörnufræðingar nógu stórt úrtak af þyrpingum til að gera marktækan samanburð á einkennum þeirra. Umfang skrárinnar gerði stjörnufræðingum líka kleift að kanna dreifingu þyrpinga í fyrsta sinn.

Abell flokkaði þyrpingar á ýmsan hátt, t.d. hversu margar vetrabrautir þær innihéldu. Honum tókst líka að áætla gróflega fjarlægð þeirra.

Abell skipt vetrarbrautaþyrpingunum í tvennt út frá lögun, reglulegar og óreglulegar. Meyjarþyrpingin er óregluleg þyrping því vetrarbrautirnar í henni dreifast óreglulega um geiminn. Grenndarhópurinn er sömuleiðis óreglulegur.

Reglulegar þyrpingar hafa augljósa kúlulögun og auðkennast af þéttri samsöfnun vetrarbrauta fyrir miðju. Haddþyrpingin (e. Coma cluster) í Bereníkuhaddi er nálægasta dæmið um stóra reglulega þyrpingu. Hún er í um 300 milljón ljósára fjarlægð. Ljósmyndir leiða í ljós að minnsta kosti yfir 1000 stakar vetrarbrautir í henni, en henni tilheyra næsta örugglega mörg þúsund dvergvölur svo heildarfjöldi vetrarbrauta í þyrpingunni er eflaust miklu meiri. Í Haddþyrpingunni miðri eru tvær risasporvölur.

Lögun þyrpingarinnar er nátengd þeim gerðum vetrarbrauta sem hún inniheldur. Stórar, reglulegar þyrpingar innihalda mestmegnis sporvölur og linsulaga vetrarbrautir. Þannig eru um 80% björtustu vetrarbrautanna í Haddþyrpingunni sporvölur. Í ytri svæðum þyrpingarinnar eru þyrilvetrarbrautir. Í óreglulegum þyrpingum eins og Meyjarþyrpingunni og Herkúlesarþyrpingunni er jafnari blanda vetrarbrautagerða.

2. Reginþyrpingar og Miklidragi

Rannsóknir Abell sýndu vetrarbrautaþyrpingar dreifðust ekki handahófskennt um geiminn, jafnvel þótt þyrpingar sæjust í allar áttir. Þannig komu fram fyrstu vísbendingar um stórgerð alheims.

Í síðari tíma rannsóknum gægðust stjörnufræðingar enn lengra út í geiminn og sáu enn daufari vetrarbrautaþyrpingar en Abell skráin náði yfir. Þeir sáu að vetrarbrautaþyrpinginar mynda saman reginþyrpingar. Dæmigerð reginþyrping inniheldur tugi vetrarbrautaþyrpinga á svæði sem er í kringum 150 milljónir ljósára í þvermál (45 Mpc). Grenndar-ofurþyrpingin (e. local supercluster) nefnist það safn vetrarbrauta í kringum Meyjarþyrpinguna sem inniheldur líka grenndarhópinn. Aðrar þyrpingar tilheyra öðrum reginþyrpingum. Massamesta reginþyrpingin sem þekkist nefnist Miklidragi (e. Great Attractor) sem er gríðarlegt samansafn vetrarbrauta og hulduefnis í stjörnumerkinu Mannfáki. Þyngdartog Mikladraga er svo mikið að Vetrarbrautin okkar og aðrar vetrarbrautir í grenndar-ofurþyrpingunni togast í átt til hans á nokkur hundruð kílómetra hraða á sekúndu.

Rannsóknir benda til að þyngdarkrafturinn bindi ekki reginþyrpingar saman, ólíkt öðrum þyrpingum og hópum. Þyrpingar hverrar reginþyrpingar rekur þar af leiðandi frá öðrum þyrpingum í sömu reginþyrpingu. Auk þess færast allar reginþyrpingar í sundur vegna Hubblesþenslunar.

3. Dreifing þyrpinga, eyður og þynnur

Á níunda áratugnum hófu stjörnufræðingar að rannsaka hvernig reginþyrpingar dreifast um geiminn. Dreifingin sést að hluta á myndinni hér undir sem sýnir staðsetningu 1,6 milljón vetrarbrauta. Svona kort leiða í ljós að reginþyrpingar dreifast heldur ekki handahófskennt um geiminn, heldur virðast mynda langa þræði. Til þess að skilja betur dreifingu reginþyrpinga verður að kortleggja þær í þrívídd. Það er gert með því að mæla bæði staðsetningu og rauðvik vetrarbrautanna á himninum. Með Hubbleslögmálinu geta stjörnufræðingar notað rauðvik vetrarbrautanna til að áætla fjarlægð þeirra frá jörðinni og þar af leiðandi staðsetningu hennar í þrívíðu rúmi.

Yfirgripsmesta kortlagning vetrarbrauta síðustu ára er Sloan Digital Sky Survey (SDSS). SDSS er samstarfsverkefni bandarískra, japanskra og þýskra stjörnufræðinga og Two Degree Field Galactic Redshift Survey (2dFGRS) sem er samvinnuverkefni stjörnufræðinga frá Ástralíu, Bretlandi og Bandaríkjunum. Kortið hér undir er byggt á mælingum 2dFGRS á yfir 60.000 vetrarbrautum. Þetta tiltekna kort nær yfir tvo geira himinsins, sitt hvoru meginn við flöt Vetrarbrautarinnar. Jörðin er fyrir miðju kortsins og hver punktur er vetrarbraut. Á kortinu eru vetrarbrautir með allt að z = 0,25 rauðvik sem samsvarar því að þær séu að fjarlægast okkur á 66.000 km hraða á sekúndu. Ef Hubblesfastinn er 73 km/s/Mpc nær kortið nærri 1000 Mpc út í geiminn eða næstum 3 milljarða ljósára.

Kort eins og þetta sýnir risavaxnar eyður þar sem sérstaklega fáar vetrarbrautir sjást. Eyðurnar eru nokkurn veginn kúlulaga og milli 100 til 400 milljón ljósár í þvermál (30 til 120 Mpc). Eyðurnar eru ekki alveg tómar. Í sumum eru vetnisský en í öðrum þræðir af daufum vetrarbrautum.

Á kortinu sést að flestar vetrarbrautir safnast saman í þynnur milli eyðanna. Þessar þynnur geta verið meira en 100 Mpc að lengd og þykktin nokkur megaparsek. Þetta mynstur er svipað sápulöðri í vaski þegar sápuþynnur (vetrarbrautirnar) mynda sápukúlur (eyðurnar). Þessar risavöxnu vetrarbrautaþynnur eru stærstu byggingareiningar alheims.

4. Massi

Mynd af vetrarbrautaþyrpingunni Abell 2744 sem sett er saman úr ljósmyndum sem teknar voru með Hubble geimsjónauka NASA og ESA og Very Large Telescope (VLT) ESO, Chandra röntgensjónauka NASA (röntgengeislun) og útreikningum á staðsetningu hulduefnis. Vetrarbrautirnar eru einu fyrirbæri myndarinnar sem sjást í sýnilegu ljósi en telja aðeins 5% af massa hennar. Heitt gas á milli vetrarbrautanna (bleikt) telur 20% massans og gefur frá sér röntgengeislun. Blái liturinn er kort af dreifingu hulduefnisins í þyrpingunni og byggir á nákvæmri greiningu á því hvernig massinn beygir ljós frá fjarlægari vetrarbrautum í bakgrunni. Mynd: NASA, ESA, ESO, CXC & D. Coe (STScI)/J. Merten (Heidelberg/Bologna) (sjá eso1120)

Þyngdarkrafturinn er sá kraftur sem heldur vetrarbrautaþyrpingum saman. Til þess að svo sé verður að vera nægur massi sem kemur í veg fyrir að þyrpingin leysist upp og vetrarbrautirnar reki sundur.

Árið 1937 sýndu athuganir Fritz Zwicky að heildarmagn sýnilega efnisins (þ.e. stjörnur, gas og ryk) í vetrarbrautaþyrpingum nægir engan veginn til að binda þyrpingarnar saman. Vetrarbrautirnar eru á slíkri fleygiferð að þyrpingarnar ættu að hafa sundrast fyrir löngu. Útreikningar sýna að tífalt meiri massa þarf til að binda saman vetrarbrautaþyrpingu en við greinum í þeim á ljósmyndum.

Seint á áttunda áratug 20. aldar fundu menn merki um mjög heitt gas í vetrarbrautaþyrpingum sem gaf frá sér röntgengeislun. Stjörnufræðingar mældu gasmagnið og komust að því að heildarmassi þess gat verið meiri en samanlagður massi allra stjarna í öllum vetrarbrautum þyrpingar. Þetta magn skýrir þó einungis 10% ósýnilega massans. Afgangurinn, 90%, er svokallað hulduefni af óþekktum uppruna.

Sama á við um vetrarbrautirnar sjálfar. Mælingar á stjörnum í skífum þyrilvetrarbrauta sýna að brautarhraði þeirra helst svo til jafn út að brúnum skífanna. Við brúnirnar ætti að draga úr brautarhraða stjarna í samræmi við þriðja lögmál Keplers. Þessi hraðaminnkun mælist ekki. Þess vegna er heildarmassi vetrarbrautanna miklu meiri en magn sýnilegs efnis gefur til kynna. Vetrarbrautir og vetrarbrautaþyrpingar hljóta því að búa yfir miklu magni hulduefnis.

Hulduefnið er ein mikilvægasta ráðgáta nútíma vísinda. Enginn veit hvers eðlis það er. Það gefur hvorki frá sér né dreifir ljósi eða annarri rafsegulgeislun og virðist aðeins bregðast við þyngdarkraftinum.

5. Byssukúluþyrpingin

Árið 2006 fundu stjörnufræðingar mikilvægar vísbendingar um eðli hulduefnisins þegar þeir rannsökuðu vetrarbrautaþyrpinguna 1E0657-56. Þar hefur orðið árekstur milli tveggja misstórra þyrpinga. Við áreksturinn rakst gas úr báðum þyrpingum saman og vegna viðnámsins hægðist á ferð þess. Viðnámið er afleiðing rafkrafta milli atóma og sameinda. Ef hulduefnið er úr einhverjum framandi efnum, sem bregst aðeins við þyngdarkraftinum, hefur viðnámið engin áhrif á það. Gasið hægir á sér við árkesturinn en hulduefnið ekki. Þess vegna sýnir hulduefnið ekki sömu dreifingu og sýnilega efnið í þyrpingunni. Þessar rannsóknir benda sterklega til þess að hulduefnið sé raunverulegt.

Tengt efni

• Grenndarhópurinn
  
• Hulduefni
• Hulduorka

Heimildir

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Sævar Helgi Bragason (2011). Vetrarbrautaþyrpingar. Stjörnufræðivefurinn http://www.stjornuskodun.is/alheimurinn/vetrarbrautathyrpingar sótt (DAGSETNING)