Þyrilvetrarbrautir (spiral galaxies)

Í litrófi skífa þyrilvetrarbrauta eru áberandi gleypilínur málma. Málmar eru öll frumefni þyngri en vetni og helíum og myndast í iðrum stjarna við kjarnahvörf. Þegar stjörnurnar þróast og deyja dreifast málmarnir um vetrarbrautarskífuna og mynda sameindaský. Úr sameindaskýjunum verða til nýjar stjörnur úr þessum efnum. Slíkar stjörnur eru málmríkar og tilheyra Stjörnubyggð I.

Hið sama er ekki uppi á teningnum í miðbungu þyrilvetrarbrauta. Litrófsrannsóknir sýna að þar eru mestmegnis gamlar málmsnauðar stjörnur sem tilheyra Stjörnubyggð II. Í bungunni hafa bláu massamiklu stjörnurnar fyrir löngu sprungið og dáið út svo aðeins langlífari stjörnur eru eftir. Þessar öldnu lágmassastjörnur eru gul- og rauðleitar sem skýrir þar af leiðandi litbrigði miðbungna þyrilvetrarbrauta.

Sá hluti vetrarbrautar sem myndar ekki skífuna sjálfa heldur umlykur hana nefnist vetrarbrautarhjúpur. Hjúpurinn er ryksnauður og úr gömlum málmsnauðum stjörnum úr Stjörnubyggð II. Þessar stjörnur eru að einhverju leyti úr litlum vetrarbrautum sem stóru vetrarbrautirnar gleypa. Í hjúpnum eru líka fjölmargar kúluþyrpingar.

Andrómeduvetrarbrautin M31 er þyrilvetrarbraut og stærsti meðlimurinn í Grenndarhópnum sem Vetrarbrautin okkar tilheyrir. Þríhyrningsvetrarbrautin M33 er þriðji stærsti meðlimurinn, einnig þyrilvetrarbraut.

M51 í Veiðihundunum og M101 í Stórabirni eru dæmi um fallegar þyrilvetrarbrautir með áberandi arma sem stjörnuáhugafólk getur skoðað með eigin stjörnusjónauka á íslenska næturhimninum. Í Messierskránni eru fjölmargar aðrar þyrilvetrarbrautir sem auðvelt er að sjá.

Flokkun þyrilvetrarbrauta

Edwin Hubble lýsti þessari tegund vetrarbrauta árið 1936 í bók sinni The Realm of the Nebula. Hann flokkaði þyrilvetrarbrautir út frá útliti þyrilarmanna og stærð miðbungunnar:

• Sa-gerð: Þyrilvetrarbraut með stóra, bjarta miðbungu og stóra, þéttofna og slétta arma með litlum röfuðum vetnisskýjum. Dæmi: M65, M96 og M104

• Sb-gerð: Þyrilvetrarbraut með meðalstóra og meðalbjarta miðbungu og meðalþétta þyrilarma. Dæmi: M31, M51, M66 og M81.

• Sc-gerð: Þyrilvetrarbraut með litla og daufa miðbungu en lausofna, velafmarkaða þyrilarma með áberandi stjörnuþyrpingum, fullt af björtum OB-stjörnum og röfuðum vetnisskýjum. Dæmi: M33, M74 og M101

Hubble lýsti fyrstur þessum þremur gerðum þyrilvetrarbrauta, en þeirri fjórðu bætti Frakkinn Gérard de Vaucouleurs við:

• Sd-gerð: Dauf miðbunga en mjög lausofnir, brotnir armar með miklu gasi og ryki og mikilvirkri stjörnumyndun; ljósaflið er að mestu í örmunum.

Athuganir með innrauðum sjónaukum (sem greina geislun frá ryki) og útvarpssjónaukum (sem greina geislun frá gasi eins og vetnis og kolmónoxíði) benda til að munurinn á Sa, Sb og Sc megi rekja til mismikils gas- og rykmagns í vetrarbrautunum. Þær benda til að um 4% af massa Sa-vetrarbrauta sé gas og ryk, 8% í tilfelli Sb-vetrarbrauta en 25% í tilviki Sc-vetrarbrauta.

Gas og ryk er hráefnið í nýjar stjörnur. Í Sc-vetrarbrautum er því meiri stjörnumyndun í gangi en í Sb- eða Sa-vetrarbrautum. Þess vegna eru skífur Sc-vetrarbrauta stórar en miðbungan lítil (þar sem engin stjörnumyndun er í gangi). Í Sa-vetrarbraut er minna gas og ryk til stjörnumyndunar svo miðbungan er meira áberandi en skífan.

Myndun þyrilarma

Auðvelt er að útskýra hvers vegna vetrarbrautir eru jafnan skífulaga. Með tímanum hafa hlutir sem snúast umhverfis sameiginlega massamiðju tilhenigingu til að snúast í sama brautarfleti. Þetta gerðist þegar sólkerfið okkar myndaðist og hefur augljóslega gerst þegar vetrarbrautirnar urðu til. Öllu erfiðara er að skýra tilvist þyrilarma.

Í sumum vetrarbrautum eru tveir þyrilarmar, öðrum þrjár eða fjórar en í sumum tilvikum eru armarnir tætingslegir.

Við fyrstu sýn gæti maður haldið að vetrarbrautirnar snerust með fasta þyrilarma líkt og uggar á vindrellum. Þegar nánar er að gáð gengur sú skýring ekki upp. Ef vetrarbrautin snerist eins og föst skífa væri brautarhraði ystu stjarna meiri en innri stjarna. Þá væru allar stjörnur nokkurn veginn alltaf í sömu sjónlínu og hefðu sama umferðartíma um miðjuna. Athuganir sýna að svo er ekki heldur. Brautarhraði stjarna og gass um miðju vetrarbrauta er nokkurn veginn einsleitur. Þess vegna er umferðartími stjarna sem eru nær miðju vetrarbrauta skemmri en stjarna sem eru utar, vegna þess að þær þurfa að ferðast styttri vegalengd.

Ímyndum okkur fjórar stjörnur, A, B, C og D, sem allar eru í línu sem teygir sig út frá miðju vetrarbrautar. Innsta stjarnan A er á styttri braut um miðjuna en hinar og er því skemur að ljúka einni hringferð. Afleiðingin er sú að línan sem tengir stjörnurnar fjórar vindur upp á sig og þéttist með fleiri umferðum stjarnanna. Það yrði til þess að þyrilmynstrið hyrfi eftir nokkur hundruð milljónir ára; á örskömmum tíma í samanburði við aldur vetrarbrautanna, sem er meira en 13 milljarðar ára.

Það að þyrilarmar eru enn til staðar í vetrarbrautum sýnir að þeir geta ekki verið úr neinu efnislegu eins og blöndu stjarna, gass og ryks sem ferðast saman umhverfis vetrarbrautina. Engu að síður eru tveir þyrilarmar í sumum vetrarbrautum, öðrum þrjár eða fjórar og í sumum tilvikum eru armarnir ritjulegir. Hvað skýrir eiginlega þyrilarmana?

Þéttleikabylgjur

Þyrilarmar í vetrarbrautum eru þéttleikabylgjur sem ferðast í gegnum vetrarbrautirna, líkt og gárur á vatni þegar steinn fellur í það. Þyrilarmarnir eru á þeim svæðum í skífu vetrarbrautanna þar sem stjörnurnar, gas- og rykský eru þétt saman (öldufaldarnir). Þótt stjörnurnar þrýstist hver að annarri hefur það lítil áhrif á þær því fjarlægðin milli þeirra er of mikil til að þær rekist saman. Aftur á móti rekast stór gasský saman og þéttast. Við það eykst þyngdarkrafturinn innan þeirra sem hrindir af stað myndun nýrra stjarna. Sumar stjörnur eru mjög massamiklar og enda líf sitt sem sprengistjörnur. Við sprengingarnar myndast höggbylgjur sem þétta skýin enn frekar og hrindir af stað frekari stjörnumyndun.

Auðvelt er að gera sér í hugarlund fyrir hvernig þéttleikabylgjur vinda sig í gegnum vetrarbrautaskífu með því að sjá fyrir okkur hvernig umferð hleðst upp fyrir aftan hægfara flutningabíl á hraðbraut. Fólksbílar sem nálgast flutningabílinn verða að hægja á sér til að rekast ekki á aðra fólksbíla. Úr lofti sést hvernig umferðin í kringum flutningabílinn þéttist í kringum hann. Smátt og smátt taka fólksbílarnir fram úr flutningabílnum, auka hraða sinn aftur og dreyfast. Umferðarteppan heldur afram svo framarlega að flutningabíllinn er á veginum.

Í vetrarbrautum leikur þyngdarkrafturinn milli stjarnanna svipað hlutverk og flutningabíllinn og stjörnur, gas og rykský hlutverk fólksbílanna. Stjörnur og gasský í skífum vetrarbrauta streyma stöðugt í gegnum þyrilarmana en þar sem efnisþéttleikinn eykst í örmunum breytist straumurinn. Þetta hægir tímabundið á ferð þeirra umhverfis miðju vetrarbrautarinnar og viðheldur örmunum, ef til vill í milljarða ára.

Þéttleikabylgjan ferðast í gegnum efnið án þess að bera það með sér, alveg eins og bylgja í vatni. Bylgja í vatni myndast við einhverja utanaðkomandi truflun og það sama gildir um þéttleikabylgjur í vetrarbrautum. Þar getur truflunin orðið vegna þyngdartogs frá annarri vetrarbraut sem myndar bylgjuna. Vetrarbrautin snýst líkt og hringiða eða svelgur og teygir á bylgjunni.

Björtustu stjörnurnar sem myndast í röfuðum vetnisskýjum í örmunum eru heitar, massamiklar, bláar O- og B-stjörnur. Þessar stjörnur lifa stutt, aðeins í 3 til 15 milljónir ára, sem er mjög stutt í samanburði við þau 220 milljón ár sem það tekur sólin að ljúka einni umferð um Vetrarbrautina okkar. Þess vegna ferðast O- og B-stjörnur stutta vegalengd áður en þær deyja. Þær finnast þar af leiðandi örstutt frá fæðingarstað sínum í þyrilarminum. Massaminni stjörnur hafa miklu lengri ævi fyrir höndum og reika víðsvegar um skífuna, í þyrilörmunum og milli þeirra.

Sjálfsprottin stjörnumyndun

Þéttleikabylgjur segja ef til vill ekki alla söguna bakvið tignarlega þyrilarma vetrarbrauta. Við sjáum nefnilega margar vetrarbrautir með sérstaklega tignarlega þyrilarma á meðan sumar hafa tætingslegri þyrilarma, ekki ósvipað ull.

Til að skýra tætingslegri þyrilarma settu stjörnufræðingar fram nýja kenningu. Samkvæmt henni myndast þyrilarmarnir vegna hrinu stjörnumyndunar sem breiður úr sér um vetrarbrautina. Þegar eitt svæði gengur í gegnum slíka stjörnumyndunarhrinu eldast massamestu stjörnurnar hratt og enda sem sprengistjörnur. Þegar stjörnurnar springa myndast höggbylgjur sem ferðast í gegnum miðgeimsefnið og hrindir af stað frekari stjörnumyndun. Þetta gerir ferlinu kleift að halda áfram. Þessari kenningu hefur verið líkt við skógarelda, þar sem eldur berst milli trjáa. Þyrilmyndunin verður til mismunasnúningur vetrarbrautarinnar dregur þessi nýmynduðu stjörnusvæði í þyrilarma.

Dæmi um þyrilvetrarbrautir

 

Tengt efni

Heimildir