Vetrarbrautin okkar

Vetrarbrautin okkar (e. The Milky Way) er safn ríflega 200 - 400 milljarða stjarna sem ferðast í hring umhverfis miðju vetrarbrautarinnar. Ein af þessum 200-400.000.000.000 stjarna er sólin okkar sem ber með sér jörðina, og allt annað sem tilheyrir sólkerfinu. Stjörnurnar sem mynda vetrarbrautina raða sér í skífu þar sem hver og ein ferðast hringinn í kring um miðjuna. Efnismassi Vetrarbrautarinnar er talinn u.þ.b. 600 milljarðar sólmassa.

Hvað gefur til kynna að vetrarbrautin okkar er skífulaga?

• Vetrarbrautarslæðan: Þegar við lítum til himins á stjörnubjörtu kvöldi sjáum við sjálfa skífuna. Hún myndar föla slæðu sem teygir sig yfir himininn. Á Íslandi sést hún... Þegar við horfum á slæðuna erum við að horfa á skífuna á rönd þ.a. frá okkur séð lítur skífan út eins og þykkur borði sem hringar sig 360° umhverfis himinhvelfinguna. Hvernig myndi maur staddur á hjólagjörð sjá dekkið umhverfis?

• Þyrilvetrarbrautir: Með sjónaukum sjáum við aðrar fjarlægar vetrarbrautir sem eru einnig skífulaga. Okkar vetrarbraut virðist falla vel í þennan hóp svokallaðra þyrilvetrarbrauta.

Hvar erum við stödd í vetrarbrautinni? Áralangar mælingar gefa til kynna að Sólin sé stödd u.þ.b. hálfa leiðina frá miðjunni að útjaðri skífunnar. Það gerir um 25.000 ljósár frá miðjunni en þvermál hennar er um 100.000 ljósár (950.000.000.000.000.000.000 metrar). Þessar fjarlægðir eru svo ógurlegar að þrátt fyrir að sólin ferðist gífurlegum hraða á ferð sinni umhverfis miðjuna þá tekur sú hringferð u.þ.b. 220 milljón ár!

Allar stjörnurnar sem við sjáum á næturhimninum tilheyra okkar vetrarbraut. En ef allar stjörnurnar í Vetrarbrautinni liggja í skífunni, hvers vegna sjást stjörnur á næturhimninum til allra átta en ekki bara í Vetrarbrautarslæðunni? Ástæðan er þykkt Vetrarbrautarskífunnar. Stjörnurnar dreifast nokkuð víða fyrir ofan og neðan miðskífuna sem gerir það að verkum að við sjáum gnægð stjarna hvert sem litið er á himinhvelfingunni.

360 gráðu víðmynd af Vetrarbrautinni okkar og öllu norður- og suðurhveli himins. Vetrarbrautin liggur sem slæða yfir himinninn. Á vefsíðunni GigaGalaxyZoom er hægt að skoða myndina í smáatriðum en hún er í heild 800 megapixlar. Mynd: ESO/S. Brunier

1. Þyrilarmar og gasþokur

Ef vetrarbrautin okkar væri á stærð við Ísland þá myndu sólin og brautir allra reikistjarna í sólkerfinu komast fyrir inni í títiprjónshaus. Mynd: ESA/Hubble & NASA/Sverrir Guðmundsson

Vetrarbrautin okkar fellur vel í hóp þyrilvetrarbrauta og telst vera af gerðinni SBbc. Hún er skífulaga með tilkomumikla þyrilarma sem litast upp af heitum, bláum, skammlífum stjörnum. Armarnir teygja sig frá litlum bjálka í miðju Vetrarbrautarinnar (sjá mynd). Þyrilarmarnir hafa löngum verið taldir fjórir en stjörnufræðingar hafa nýverið fullyrt að það séu aðeins tveir meginarmar í Vetrarbrautinni. Þessi ágreiningur kemur ekki á óvart enda er afskaplega erfitt að ákvarða lögun Vetrarbrautarinnar þar sem við sjáum hana ekki utan frá þ.e. við erum stödd inni í henni. Þessu má líkja við að kortleggja skóglendi með því að standa fastur inni í skóginum. Hinir hefðbundnu þyrilarmar eru taldir fjórir til fimm og eru þeir nefndir eftir staðsetningu á himninum. Þeir bera heiti tilsvarandi stjörnumerkja: Óríonsarmurinn, Perseussarmurinn, Bogmannsarmurinn, Svansarmurinn og Mannfáksarmurinn. Aðrar þyrilvetrarbrautir gefa okkur góða hugmynd um hvernig okkar Vetrarbraut er uppbyggð.

Gasský í geimnum geta verið tugir eða hundruð ljósára í þvermál og eru af ýmsum toga. Þyrilarmarnir hafa að geyma þykk gasský þar sem stjörnur eiga auðvelt með að myndast. Armarnir eru með öðrum orðum einn helsti fæðingastaður stjarna. Sumar stjarnanna eru mjög massamiklar og heitar og þar af leiðandi bláar (sjá HR-línurit). Þessar stjörnur eru þær björtustu sinnar tegundar og lýsa þær upp gasið í næsta nágrenni. Þetta gefur þyrilörmunum fallegan bláleitan blæ og gasskýin, þar sem stjörnurnar myndast, ljóma upp í rauðfjólubláum lit. Orkuríka ljósið frá bláu stjörnunum lætur gasið, sem er að mestu úr vetni, geisla frá sér einkennandi rauðum lit. Ljómþokurnar eru kallaðar röfuð vetnisský (HII region). Eitt þekktasta dæmið um slíkar ljómþokur er Sverðþokan í Óríón.

Gangverkið bak við snúning þyrilarmanna er ennþá ekki fullskilið. Þó þykir ljóst að þeir séu eins konar þéttleikabylgjur þar sem gas er í miklu magni. Armarnir þokast hægt umhverfis miðjunna, en sem þéttleikabylgjur, hreyfast þeir ekki samferða stjörnunum. Stjörnurnar fara reglulega gegnum þyrirlarmana á leið sinni umhverfis miðjuna. Í dag er sólin stödd í útjaðri Óríon þyrilsins. Tilgátur eru uppi um hvort för sólarinnar gegnum þyrilarma gæti orsakað náttúruhamfarir og fjöldaútrýmingar á Jörðinni. Armarnir, með þyngdaraflið að vopni, gætu raskað jafnvægi kringum sólkerfið og komið af stað hrynu halastjarna (t.d. úr Oortsskýinu) sem gætu rekist á jörðina. Þetta er þó óstaðfest tilgáta.

2. Risasvarthol í miðjunni

Áður fyrr var talið að sólkerfið væri í miðju Vetrarbrautarinnar. Rökin fyrir því voru þau að fjöldi stjarna taldist mönnum vera jafnmikill til allra átta í Vetrarbrautarslæðunni. Hins vegar vitum við nú að gas í skífunni takmarkar skyggni. Við sjáum aðeins lítinn hluta af heildarfjölda stjarna í skífunni. Ef gas væri ekki til staðar hefðu menn fundið mun fleiri stjörnur í þá átt sem nú telst miðja Vetrarbrautarinnar. Harlow Shapley var fyrstur til að færa sólkerfið úr miðjunni. Honum tókst að ákvarða staðsetningu miðjunnar með því að skoða dreifingu kúluþyrpinga í hjúpi Vetrarbrautarinnar. Hann komst að því, með töluverðri nákvæmni, að miðjan liggur í stjörnumerkinu Bogmanninum og áætlaði fjarlægðina um 50.000 ljósár (í dag er sú fjarlægð talin um 26.000 ljósár). Í dag eru langflestir eru sammála um að ákveðin uppspretta í Bogmanninum, Sagittarius A*, sé hin eina sanna miðja (Bogmaðurinn sést aðeins að örlitlu leyti frá Íslandi). Miðjuna er ekki hægt að sjá með venjulegum sjónauka vegna gassins í skífunni sem hylur hana líkt og gluggatjöld. Stjörnufræðingar nota tæki sem sjá í gamma-, Röntgengeislum, innrauðu ljósi og útvarpsbylgjum (sjá rafsegulrófið). SgrA* hefur verið rannsökuð af miklum krafti undanfarin ár eftir að ljóst þótti að uppsprettan væri risasvarthol. Stjörnur á gífurlegri hraðferð hringsóla umhverfis SgrA* og gefa þær til kynna fyrirbærið í miðjunni sé um 4 milljón sinnum massameira en Sólin. Aðeins risasvarthol getur búið yfir slíkum massa. Stjörnufræðingar hafa komist að því að risasvarthol dvelji í miðju nær allra vetrarbrauta í alheiminum. Þetta hefur mikið að segja um myndunarsögu vetrarbrauta sem enn er að miklu leyti óljós.

3. Miðbungan

Svæðið umhverfis miðjuna er kallað miðbungan sem dregur nafn sitt af lögun skífunnar sem belgist út í miðjunni. Ólíkt skífunni er miðbungan mjög snauð af gasi. Þetta gefur til kynna að lítil sem engin stjörnumyndun fer fram í miðbungunni sem aftur kemur heim og saman við háan aldur stjarnanna. Þumalputtareglan er sú að blá svæði (líkt og í þyrilörmunum) tákna ungar stjörnur en rauð/gul svæði (líkt og í miðbungunni) tákna gamlar stjörnur. Þessi mismunur milli stjarna í skífunni og í miðbungunni hefur í för með sér spurningar sem hefur reynst erfitt að svara. Hvaðan eru miðbungustjörnurnar upphaflega?

Möguleiki 1: Þær mynduðust í skífunni og færðu sig smám saman inn að miðjunni.

Möguleiki 2: Þær mynduðust á annan hátt, óháð skífunni.

Stjörnufræðingar hafa loksins komið með sönnunargögn sem styðja seinni valmöguleikann. Miðbungan virðist hafa myndast á undan afgangnum af Vetrarbrautinni og fengið aðeins önnur frumefni í vöggugjöf. Þannig má segja að erfðafræðilegur munur sé á milli miðbungunnar og skífunnar.

4. Hjúpurinn

Hjúpur Vetrarbrautarinnar telst kúlulaga svæðið allt í kringum skífuna. Hjúpurinn er snauður af öllu sem gerir skífuna að þéttbýli geimsins. Þar er helst að finna kúluþyrpingar sem innihalda elstu stjörnur í alheiminum. Kúluþyrpingarnar raða sér allt í kringum skífuna en eru verða fleiri nærri miðbungunni (Shapley notaði uppröðun kúluþyrpinganna til að ákvarða staðsetningu miðju Vetrarbrautarinnar). Gas er hvorki að finna í hjúpnum né kúluþyrpingunum sem þýðir að engin stjörnumyndun fer þar fram (stjörnur myndast í köldum gasskýjum). Öldungar stjarnanna hafa reikað hér einmanna um síðan Vetrarbrautin tók að myndast í árdaga alheimsins.

Vetrarbrautin á sér tvo litla nágranna. Þetta eru fylgivetrarbrautirnar Stóra-Magellanskýið (160.000 ljósára fjarlægð) og Litla-Magellanskýið (200.000 ljósára fjarlægð). Þær eru litlar og óreglulegar í lögun og sjást báðar frá suðurhveli jarðar.

4.1. Hulduefni

Þrátt fyrir að oft sé fullyrt að hjúpurinn sé lítið annað er tómarúm þá má vera að ýmislegt óvænt kunni að leynast þar. Við þurfum ljós til að sjá stjarnfræðileg fyrirbæri. Sum stjarnfræðileg fyrirbæri gefa ekki frá sér ljós. Ótvíræð sönnunargögn eru fyrir því að hið svokallaða hulduefni hrærist um allt í kringum Vetrarbrautina. Hulduefni er efni sem hvorki víxlverkar við né gefur frá sér ljós en mælist vegna þyngdaráhrifa þess á allt efni. Vetrarbrautaþyrpingar virðast haldast saman fyrir tilverkan hulduefnis. Helstu sönnunargögn fyrir tilvist þess í Vetrarbrautinni er snúningur hennar. Ferð stjarnanna umhverfis miðju Vetrarbrautarinnar kemur ekki heim og saman við útreikninga sem miðast við massa efnisins í henni. Til að samræmast athugunum þyrfti mikinn jafndreifðan massa langt út fyrir endimörk skífunnar. Enginn veit í dag hvaðan þessi massi er upprunninn en hann virðist með öllu ósýnilegur. Hulduefni er eitt mikilvægasti viðfangsefni nútíma stjarnvísinda.

Tengt efni

• Stjörnur
• Vetrarbrautir
• Svarthol
• Hulduefni

Heimildir

1. Jeffrey Bennett, Megan Donahue, Nicholas Schneider og Mark Voit. 2010. The Cosmic Perspective. Addison-Wesley, San Francisco.
2. Carroll, B. W. og D. A. Ostlie (2007). An Introduction to Modern Astrophysics. San Fransisco: Addison Weasley.
3. Lars Lindberg Christensen, Davide DeMartine og Raquel Yumi Shida. 2010. Cosmic Collisions. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, Þýskalandi.
   
4. Roger Freedman og William Kaufmann. 2008. Universe, 8. útgáfa. W. H. Freeman & Company, New York.

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Kári Helgason (2008). Vetrarbrautin okkar. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/alheimurinn/vetrarbrautin-okkar (sótt: DAGSETNING).