I Melkeveiens stjerner, en historie om vold | Quanta Magazine

Sent på kvelden 5. oktober 1923 satt Edwin Hubble ved okularet til Hooker-teleskopet ved Mount Wilson-observatoriet, på toppen av fjellene med utsikt over Los Angeles-bassenget. Han observerte et objekt på den nordlige himmelen. For det blotte øye var det synlig som en svak flekk. Men gjennom et teleskop ble det skjerpet til en strålende ellipse kalt Andromedatåken. For å avgjøre en debatt om størrelsen på Melkeveien - som da ble antatt å være hele universet - trengte Hubble å bestemme Andromedas avstand fra oss.

I teleskopets synsfelt var Andromeda en gigant. Hubble tok tålmodig flere eksponeringer som dekket mange fotografiske glassplater, og i de tidlige timene 6. oktober gjorde han en 45-minutters eksponering på en liten glassplate og skriblet "N" der han så tre nye stjerner, eller novaer. Men da han sammenlignet bildet sitt med fotografier tatt av andre astronomer, innså han at en av hans nye novaer faktisk var en Cepheid-variabel stjerne - en type stjerne som kan brukes til å måle astronomiske avstander.

Han skrapte ut en "N" og skrev "VAR!"

Hubble brukte denne pulserende stjernen til å beregne at Andromeda var 1 million lysår fra Jorden, en avstand mye større enn diameteren til Melkeveien (han var litt utenfor; Andromeda er omtrent 2.5 millioner lysår unna). Og han innså at Andromeda ikke bare var en tåke, men et helt "øyunivers" - en galakse forskjellig fra vår egen.

Med spaltningen av kosmos til en hjemmegalakse og et større univers, kan studiet av vårt begrensede hjem – og hvordan det eksisterer i det universet – begynne for alvor. Nå, et århundre senere, gjør astronomer fortsatt uventede oppdagelser om den eneste kosmiske øya vi noen gang vil bebo. De kan kanskje forklare noen av Melkeveiens kjennetegn ved å reimagine hvordan den dannet seg og vokste i det tidlige universet, ved å granske dens ujevne form og ved å studere dens evne til å danne planeter. De siste resultatene, samlet over de siste fire årene, tegner nå et bilde av hjemmet vårt som et unikt sted, på en unik tid.

Det ser ut til at vi har vært heldige som har bodd i nærheten av en spesielt stille stjerne i de rolige utkantene av en middelaldrende, merkelig skråstilt, løst spiralformet galakse som stort sett har stått alene i det meste av sin eksistens.

Øyuniverset vårt

Fra jordoverflaten - hvis du er et veldig mørkt sted - kan du bare se den lyse stripen på Melkeveiens galaktiske skive, på kanten. Men galaksen vi lever i er så mye mer komplisert.

Et supermassivt svart hull svirrer i midten, omgitt av "bulen", en knute med stjerner som inneholder noen av galaksens eldste stjernebeboere. Deretter kommer den "tynne skiven" - strukturen vi kan se - der de fleste av Melkeveiens stjerner, inkludert solen, er delt inn i gigantiske spiralarmer. Den tynne skiven er innkapslet i en bredere "tykk skive", som inneholder eldre stjerner som er mer spredt. Til slutt omgir en for det meste sfærisk glorie disse strukturene; den er for det meste laget av mørk materie, men inneholder også stjerner og diffus varm gass.

For å lage kart over disse strukturene, henvender astronomer seg til individuelle stjerner. Hver stjernes komposisjon registrerer dens fødested, alder og fødselsingredienser, så å studere stjernelys muliggjør en form for galaktisk kartografi – så vel som slektsforskning. Ved å plassere stjerner i tid og sted, kan astronomer spore historien og slutte seg til hvordan Melkeveien ble bygget, bit for bit, over milliarder av år.

Den første store innsatsen for å studere den opprinnelige Melkeveiens dannelse begynte på 1960-tallet, da Olin Eggen, Donald Lynden-Bell og Alan Sandage, som var Edwin Hubbles tidligere doktorgradsstudent, argumenterte for at galaksen kollapset fra en spinnende gasssky. I lang tid etter det trodde astronomer at den første strukturen som dukket opp i galaksen vår var haloen, etterfulgt av en lys, tett skive av stjerner. Etter hvert som kraftigere teleskoper kom på nettet, bygde astronomer stadig mer presise kart og begynte å finpusse ideene sine om hvordan galaksen kom sammen.

Alt endret seg i 2016, da de første dataene fra den europeiske romfartsorganisasjonens Gaia-satellitt kom tilbake til jorden. Gaia måler nøyaktig banen til millioner av stjerner i hele galaksen, slik at astronomer kan lære hvor disse stjernene befinner seg, hvordan de beveger seg gjennom verdensrommet og hvor fort de går. Med Gaia kunne astronomer male et skarpere bilde av Melkeveien - en som avslørte mange overraskelser.

Bulen er ikke sfærisk, men peanøttformet, og den er en del av en større stang som spenner over midten av galaksen vår. Selve galaksen er forvrengt som randen av en banket cowboyhatt. Den tykke skiven er også utstrakt, vokser tykkere mot kantene, og den kan ha dannet seg før glorien. Astronomer er ikke engang sikre på hvor mange spiralarmer galaksen egentlig har.

Kartet over øyuniverset vårt er ikke så ryddig som det en gang virket. Heller ikke like rolig.

"Hvis du ser på et tradisjonelt bilde av Melkeveien, har du denne fine sfæriske glorien og en fin skive som ser jevnlig ut, og alt er på en måte fast og stasjonært. Men det vi vet nå er at denne galaksen er i en tilstand av ubalanse,» sa Charlie Conroy, en astronom ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Dette bildet av at det er enkelt og velordnet har virkelig blitt kastet ut de siste par årene."

Et nytt kart over Melkeveien

Tre år etter at Edwin Hubble innså at Andromeda var en galakse for seg selv, var han og andre astronomer opptatt med å avbilde og klassifisere hundrevis av øyunivers. Disse galaksene så ut til å eksistere i noen få rådende former og størrelser, så Hubble utviklet et grunnleggende klassifiseringsskjema kjent som stemmegaffeldiagrammet: Det deler galakser inn i to kategorier, elliptiske og spiraler.

Astronomer bruker fortsatt denne ordningen for å kategorisere galakser, inkludert vår. Foreløpig er Melkeveien en spiral, med armer som er de viktigste barnehagene for stjerner (og derfor planeter). I et halvt århundre trodde astronomer at det var fire hovedarmer - Skytten, Orion, Perseus og Cygnus-armene (vi bor i en mindre avlegger, fantasiløst kalt den lokale armen). Men nye målinger av supergigantiske stjerner og andre gjenstander tegner et annet bilde, og astronomene er ikke lenger enige om antall armer eller størrelsen deres, eller om galaksen vår er en merkelig kule blant øyene.

"Påfallende nok har nesten ingen ytre galakser fire spiraler som strekker seg fra sentrene til ytre områder," Xu Ye, en astronom ved Kinas Purple Mountain Observatory, sa i en e-post.

For å spore Melkeveiens spiralarmer brukte Ye og kollegene Gaia og bakkebaserte radioteleskoper for å lete etter unge stjerner. De fant ut at Melkeveien, som andre spiralgalakser, bare har to hovedarmer, Perseus og Norma. Flere lange, uregelmessige armer snor seg også rundt kjernen, inkludert Centaurus, Skytten, Carina, Ytre og Lokale armer. Det ser ut til at Melkeveien, i det minste i form, kan ligne mer på fjerne kosmiske øyer enn astronomer trodde.

"Å studere den spiralformede Melkeveien kan avsløre om den er unik blant milliarder av galakser i det observerbare universet," skrev Ye.

Cosmic Shores

Hubbles studie av Andromeda og dens variable stjerne stammet fra hans voldsomme rivalisering med en annen kjent astronom ved Mount Wilson, Harlow Shapley. Harvard-astronomen Henrietta Swan Leavitt hadde vært banebrytende i bruken av Cepheid-variable stjerner for å måle avstander, og ved hjelp av metoden hennes hadde Shapley beregnet at Melkeveien var 300,000 1919 lysår på tvers - en forbløffende påstand i 3,000, da de fleste astronomer trodde solen var i galaksens sentrum, og at hele galaksen strakte seg over XNUMX lysår. Shapley insisterte dermed på at andre "spiraltåker" må være gasskyer og ikke separate galakser, fordi størrelsen deres ville bety at de var ufattelig langt unna.

Hubble skrev på sin side opp sine variable stjernemålinger og overbeviste alle om at Andromeda faktisk var en egen galakse. "Her er brevet som ødela universet mitt," skal Shapley ha sagt etter å ha sett Hubbles data.

Når det gjelder astronomiske avstander, kan Shapley imidlertid ikke ha vært så langt unna. I det mellomliggende århundre har astronomer beregnet at Melkeveiens bule er omtrent 12,000 120,000 lysår på tvers, at skiven spenner over XNUMX XNUMX lysår, og at glorie av mørk materie og gamle stjernehoper strekker seg over hundretusenvis av lysår i hver retning.

En fersk observasjon fant ut at noen halostjerner er spredt så langt som 1 million lysår unna - halvveis til Andromeda - noe som tyder på at haloen, og derfor galaksen, ikke helt er et øyunivers for seg selv.

Astronomer ledet av Jesse Han, en doktorgradsstudent ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, bestemte nylig at stjerneglorien ikke er sfærisk, som lenge ble antatt, men formet som en fotball. I jobb publisert 14. septemberHan og teamet hans viste også at mørk materie-halo kan vippes med omtrent 25 grader, noe som får hele galaksen til å se skjev ut.

Og selv om det kan virke rart nok, kan selve vippen være bevis på Melkeveiens voldelige fortid.

En forstyrrelse i galaksen

Eoner før Hubble satt ved okularet, evigheter før solen ble født, lenge før Melkeveien eksisterte, revet Big Bang fra hverandre all materie og spredte den tilfeldig utover det nyfødte kosmos. De første galaksene dannet seg til slutt fra biter av tilfeldig detritus, og startet en 13 milliarder år lang sekvens som førte til oss. Astronomer diskuterer vanskelighetene ved hvordan disse hendelsene utspilte seg, men de vet at galaksen vi nå bor i vokste gjennom en kompleks prosess som inkluderte fusjoner og oppkjøp.

Overalt i universet kolliderer galakser og kombineres i ufattelig enorme katastrofer. Teleskopet oppkalt etter Edwin Hubble fanger disse kosmiske pileups hele tiden. Og selv om det er relativt rolig i dag, er Melkeveien intet unntak: Ved å sile gjennom arkeologiske registreringer holdt av stjerner, strømmer av gass, såkalte kulehoper av tusenvis til millioner av stjerner, og til og med skyggene av oppslukte dverggalakser, forskere lærer mer om hvordan Melkeveien utviklet seg.

De første antydningene til vold kom da astronomer kikket gjennom det store 200-tommers teleskopet ved Palomar Observatory (som Hubble var den første til å bruke) fant bevis i 1992 på at Melkeveien rev i stykker noen av kulehopene i glorien. Sloan Digital Sky Survey bekreftet denne observasjonen, og radioteleskoper fant senere at galaksen også inhalerte strømmer av nærliggende gass.

I midten av 2018 skjønte astronomer at Melkeveien hadde slått seg sammen med noen få små galakser gjennom hele levetiden, men at de fleste av disse var mindre hendelser. Den største nylige fusjonen, for 10 milliarder år siden, ble antatt å involvere Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy, som donerte strømmer av gass og grupper av stjerner til Melkeveiens stjerneglorie. Men astronomer forsto ikke disse objektene helt før Gaia-satellitten ga ut sitt andre datasett i 2018.

Mens astronomer gransket de detaljerte bevegelsene og posisjonene til omtrent en milliard stjerner, dukket det opp tegn på en stor forstyrrelse i galaksen - de så galaktiske vrakdeler i haloen. Der går noen stjerner i bane i ekstreme vinkler og har en annen sammensetning enn andre, noe som tyder på at de har sin opprinnelse et annet sted.

Astronomer tok disse rare stjernene som bevis på en titanisk kollisjon mellom Melkeveien og en annen galakse. Sammenslåingen, som sannsynligvis skjedde for mellom 8 milliarder og 11 milliarder år siden, ville ha katastrofalt forstyrret den unge Melkeveien, revet den andre galaksen i filler og utløst en ildstorm av ny stjernedannelse.

Den kolliderende galaksens rester kalles nå Gaia-Sausage-Enceladus, et resultat av at to team uavhengig oppdaget restene av sammenslåingen. Ett team oppkalte den etter den greske guddommen Gaia, den opprinnelige mor til jorden og alt liv, og hennes sønn Enceladus. Den andre la merke til at restene så ut som en pølse. (Noen astronomer tvist at den innkommende galaksen var den eneste involverte, noe som i stedet antyder at mange mindre kollisjoner over en lengre periode kunne ha resultert i strukturene vi nå ser.)

Sammenslåingen endret alt: forløpet til Melkeveiens glorie, indre bule og flate skive.

Nå bruker astronomer forskjellige verktøy for å forstå tidspunktet for Gaia-Sausage-Enceladus-pileupen og hvordan spedbarnsmelkeveien vokste opp som et resultat.

I mars 2022, Maosheng Xiang og Hans-Walter Rix fra Max Planck Institute for Astronomy startet med å definere Melkeveien 1.0, proto-galaksen som eksisterte før noen fusjoner. De gjorde dette ved å bruke eldgamle subgigantiske stjerner som er mindre enn solen, og som har brukt opp hydrogenbrenselet sitt og blir nå oppblåste. En subgigantstjernes lysstyrke tilsvarer dens alder, og lyset fungerer som et fingeravtrykk av fødselsmaterialet. Da Xiang og Rix brukte disse ledetrådene for å utlede migrasjonshistoriene til en kvart million undergigantiske stjerner, fant de ut at den tykke skiven ble dannet tidligere enn forventet i teorier om galaksedannelse - for 13 milliarder år siden, knapt et øyeblink etter Big Bang .

Populære kosmologiske teorier antyder at det burde ha tatt lengre tid før slike store, veldefinerte strukturer ble dannet etter Big Bang. Og likevel de fortsett å dukke opp i James Webb-romteleskopets observasjoner av fjerne galakser, sa Rosemary Wyse, en astrofysiker ved Johns Hopkins University.

"Du kan knytte sammen hvordan vi tror galaksen vår ble dannet med det JWST ser. Kan vi få et sammenhengende bilde av hvordan en galakse ble dannet? Er galaksen vår typisk?" hun sa.

Den tykke disken kan ha eksistert før hovedsammenslåingen, men den tynne disken falt sammen med ankomsten til Gaia-Sausage-Enceladus, Xiang og Rix funnet. Denne todelte monteringsprosessen, som produserer distinkte stjerneskiver, kan være vanlig, og den kan være avgjørende for stjernedannelse. Fødselsratene har gått ned siden den vanviddet, men Melkeveien lager fortsatt rundt 10 til 20 nye stjerner i året.

Yuxi (Lucy) Lu, som nettopp flyttet fra Columbia University til American Museum of Natural History, ønsket å forstå historien til den galaktiske skiven og hvordan den har endret seg over tid. For å gjøre det studerte hun hvordan kjemiske endringer over stjerners levetid kunne hjelpe til med å identifisere deres fødselssteder. Hun fokuserte på lignende oppblåste, subgigantiske stjerner, og i nytt, upublisert arbeid fant hun ut at metallrike undergiganter - de med en overflod av grunnstoffer tyngre enn helium - begynte å vokse for alvor rundt tidspunktet for Gaia-Pølse-Enceladus-fusjonen, mellom 11 milliarder og 8 milliarder år siden.

Bevisene for Gaia-Pølse-Enceladus fortsetter å hope seg opp. Men det astronomene fortsatt ikke forstår er hvorfor ting har vært rolig siden den gang. Melkeveiens kjemiske historie og strukturelle historie virker atypisk, sa Lu.

Andromeda, for eksempel, har en mye mer voldelig historie enn Melkeveien. Det ville være rart for vår galakse å bli stående alene så lenge, med tanke på andre galaksers historie og den rådende kosmologiske modellen som sier at galakser vokser ved å knuse hverandre, sa Wyse. "Sammenslåingshistorien er uvanlig, og forsamlingshistorien. Hvorvidt vi faktisk er uvanlige i universet ... vil jeg si er fortsatt et åpent spørsmål," sa hun.

Fødsel av en ny øy

Selv når astronomer setter sammen galaksens fortid, studerer andre hvordan galaksens nabolag kan være like forskjellige fra hverandre som byer og forsteder - en mulighet som reiser spørsmålet om hvordan planeter (og kanskje liv) er fordelt over hele galaksen.

Her, rundt en bestemt stjerne på den lokale armen, dannet det seg åtte planeter rundt solen - fire steinete og fire gassformede. Men andre armer kan være annerledes. Disse miljøene kan produsere forskjellige populasjoner av stjerner og planeter på samme måte som spesialisert flora og fauna utvikler seg på kontinenter med distinkte biosfærer.

«Kanskje liv kan bare oppstå i en virkelig stille galakse. Kanskje livet bare kan oppstå rundt en virkelig stille stjerne," sa Jessie Christiansen, en astronom ved California Institute of Technology som studerer galaktiske forhold og deres effekter på planetbygging. «Det er så vanskelig med dette statistiske utvalget av en; alt [om galaksen vår] kan være viktig, eller ingenting kan være viktig.»

Et århundre etter at Edwin Hubble skrev «VAR!» på en glassplate endrer mengden av galakser som løser seg i JWSTs synsfelt det vi vet om kosmos og vår plass i det. Akkurat som vi kan bruke Melkeveien som et astrofysisk observatorium for å forstå det bredere universet, kan vi også bruke det bredere universet og dets milliarder av galakser for å forstå hjemmet vårt og hvordan vi ble til.

Astronomer fortsetter å ta en side fra Hubbles lekebok og granske Andromeda, den svake ellipsen på den nordlige himmelen. Som Gaia har gjort nærmere hjemmet, vil Dark Energy Spectroscopic Instrument ved Kitt Peak National Observatory måle individuelle stjerner i Andromeda og granske deres bevegelser, alder og kjemiske overflod. Wyse planlegger også å studere individuelle stjerner i galaksen ved siden av, ved å bruke Subaru-teleskopet på Mauna Kea.

Å gjøre det vil gi et nytt syn på Andromedas fortid og en ny sammenligning for vår egen galakse. Det vil også gi et svakt glimt av en meget fjern fremtid. Galaksen vår vil til slutt ødelegge to små nærliggende galakser, de store og små magellanske skyene, som skriker over verdensrommet i vår retning. Galaksen vår begynner allerede å fordøye dem.

"Hvis vi observerte alt dette en milliard år fra nå, ville det se mye rotere ut," sa Conroy. "Vi er tilfeldigvis i en tid da ting er relativt stille."

Deretter vil også Andromeda bli med oss. Galaksen som spenner over Edwin Hubbles glassplater vil ikke lenger være et øyunivers. Andromeda og Melkeveien vil spiral inn mot hverandre, deres stjerneglorier virvler sammen. Over tidsskalaer som trosser forståelsen, vil skivene også kombineres, varme opp kald gass og få den til å kondensere og antenne nye stjerner. På kantene av hvilken struktur som bygges videre, vil nye soler dukke opp, og med dem nye planeter. Men foreløpig er alt stille, her på den lokale armen til den eneste galaksen vi noen gang vil kjenne.