I Vintergatans stjärnor, en historia av våld | Quanta Magazine

Sent på kvällen den 5 oktober 1923 satt Edwin Hubble vid okularet på Hooker-teleskopet vid Mount Wilson Observatory, ovanpå bergen med utsikt över Los Angeles-bassängen. Han observerade ett föremål på den norra himlen. För blotta ögat var det synligt som en svag fläck. Men genom ett teleskop vässade det till en lysande ellips som kallas Andromeda-nebulosan. För att lösa en debatt om storleken på Vintergatan - som då ansågs vara hela universum - behövde Hubble bestämma Andromedas avstånd från oss.

I teleskopets synfält var Andromeda en jätte. Hubble fångade tålmodigt flera exponeringar som täckte många fotografiska glasplattor, och tidigt den 6 oktober gjorde han en 45-minuters exponering på en liten glasplatta och klottrade "N" där han såg tre nya stjärnor, eller novas. Men när han jämförde sin bild med fotografier som tagits av andra astronomer, insåg han att en av hans nya novas faktiskt var en Cepheid variabel stjärna - en typ av stjärna som kan användas för att mäta astronomiska avstånd.

Han skrapade fram ett "N" och skrev "VAR!"

Hubble använde denna pulserande stjärna för att beräkna att Andromeda var 1 miljon ljusår från jorden, ett avstånd som är mycket större än Vintergatans diameter (han var något utanför; Andromeda är cirka 2.5 miljoner ljusår bort). Och han insåg att Andromeda inte bara var en nebulosa utan ett helt "ö-universum" - en galax skild från vår egen.

Med klyvningen av kosmos till en hemgalax och ett större universum kan studiet av vårt ändliga hem – och hur det existerar inom det universum – börja på allvar. Nu, ett sekel senare, gör astronomer fortfarande oväntade upptäckter om den enda kosmiska ön vi någonsin kommer att bebo. De kanske kan förklara några av Vintergatans egenskaper genom att ombilda hur den bildades och växte i det tidiga universum, genom att granska dess ojämna form och genom att studera dess förmåga att bilda planeter. De senaste resultaten, samlade under de senaste fyra åren, målar nu upp en bild av vårt hem som en unik plats, vid en unik tidpunkt.

Vi har haft turen, verkar det som, att bo nära en särskilt tyst stjärna i de lugna utkanterna av en medelålders, konstigt lutande, löst spiralformade galax som har lämnats i stort sett ensam under större delen av sin existens.

Vårt ö-universum

Från jordens yta - om du är någonstans mycket mörk - kan du bara se den ljusa randen av Vintergatans galaktiska skiva, kant-på. Men galaxen vi lever i är så mycket mer komplicerad.

Ett supermassivt svart hål snurrar i mitten, omgivet av "bukten", en knut av stjärnor som innehåller några av galaxens äldsta stjärnbefolkning. Därefter kommer den "tunna skivan" - strukturen vi kan se - där de flesta av Vintergatans stjärnor, inklusive solen, är uppdelade i gigantiska spiralarmar. Den tunna skivan är innesluten i en bredare "tjock skiva", som innehåller äldre stjärnor som är mer utspridda. Slutligen omger en mestadels sfärisk halo dessa strukturer; den är mestadels gjord av mörk materia, men innehåller även stjärnor och diffus het gas.

För att göra kartor över dessa strukturer vänder sig astronomer till enskilda stjärnor. Varje stjärnas sammansättning registrerar dess födelseplats, ålder och födelseingredienser, så att studera stjärnljus möjliggör en form av galaktisk kartografi - såväl som genealogi. Genom att placera stjärnor i tid och plats kan astronomer spåra historien och sluta sig till hur Vintergatan byggdes, bit för bit, under miljarder år.

Den första stora ansträngningen att studera den ursprungliga Vintergatans bildning började på 1960-talet, när Olin Eggen, Donald Lynden-Bell och Alan Sandage, som var Edwin Hubbles tidigare doktorand, hävdade att galaxen kollapsade från ett snurrande gasmoln. Under en lång tid efter det trodde astronomer att den första strukturen som uppstod i vår galax var halo, följt av en ljus, tät skiva av stjärnor. När mer kraftfulla teleskop kom online byggde astronomer allt mer exakta kartor och började förfina sina idéer om hur galaxen kom samman.

Allt förändrades 2016, när de första uppgifterna från Europeiska rymdorganisationens Gaia-satellit kom tillbaka till jorden. Gaia mäter exakt vägarna för miljontals stjärnor i hela galaxen, vilket gör att astronomer kan lära sig var dessa stjärnor finns, hur de rör sig genom rymden och hur snabbt de går. Med Gaia kunde astronomer måla upp en skarpare bild av Vintergatan - en som avslöjade många överraskningar.

Utbuktningen är inte sfärisk utan jordnötsformad, och den är en del av en större stång som spänner över mitten av vår galax. Själva galaxen är skev som brättet av en slagen cowboyhatt. Den tjocka skivan är också utvidgad, växer sig tjockare mot dess kanter, och den kan ha bildats före glorian. Astronomer är inte ens säkra på hur många spiralarmar galaxen verkligen har.

Kartan över vårt ö-universum är inte så snygg som den en gång verkade. Inte heller lika lugnt.

"Om du tittar på en traditionell bild av Vintergatan, har du den här fina sfäriska gloria och en snygg skiva som ser regelbundet ut, och allt är typ fast och stillastående. Men vad vi vet nu är att den här galaxen är i ett tillstånd av ojämvikt”, sa Charlie Conroy, en astronom vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Den här bilden av att det är enkelt och välordnat har verkligen slängts ut under de senaste åren."

En ny karta över Vintergatan

Tre år efter att Edwin Hubble insåg att Andromeda var en galax för sig själv, var han och andra astronomer upptagna med att avbilda och klassificera hundratals ö-universum. Dessa galaxer verkade existera i ett fåtal rådande former och storlekar, så Hubble utvecklade ett grundläggande klassificeringsschema som kallas stämgaffeldiagrammet: Det delar in galaxer i två kategorier, elliptiska och spiraler.

Astronomer använder fortfarande detta schema för att kategorisera galaxer, inklusive vår. För närvarande är Vintergatan en spiral, med armar som är de viktigaste plantskolorna för stjärnor (och därför planeter). Under ett halvt sekel trodde astronomer att det fanns fyra huvudarmar - Skytten, Orion, Perseus och Cygnus (vi lever i en mindre utlöpare, fantasilöst kallad den lokala armen). Men nya mätningar av superjättestjärnor och andra objekt ritar en annan bild, och astronomer är inte längre överens om antalet armar eller deras storlekar, eller ens om vår galax är en udda kula bland öar.

"Det är slående att nästan inga yttre galaxer uppvisar fyra spiraler som sträcker sig från deras centra till deras yttre regioner," Xu Ye, en astronom med Kinas Purple Mountain Observatory, sa i ett mejl.

För att spåra Vintergatans spiralarmar använde Ye och kollegor Gaia och markbaserade radioteleskop för att leta efter unga stjärnor. De fann att, precis som andra spiralgalaxer, har Vintergatan bara två huvudarmar, Perseus och Norma. Flera långa, oregelbundna armar slingrar sig också runt dess kärna, inklusive Centaurus, Skytten, Carina, yttre och lokala armar. Det verkar som att Vintergatan, åtminstone i form, kan likna avlägsna kosmiska öar mer än vad astronomer trodde.

"Att studera den spiralformade Vintergatan kan avslöja om den är unik bland de miljarder galaxer i det observerbara universum," skrev Ye.

Cosmic Shores

Hubbles studie av Andromeda och dess variabla stjärna härrörde från hans hårda rivalitet med en annan berömd astronom vid Mount Wilson, Harlow Shapley. Harvard-astronomen Henrietta Swan Leavitt hade banat väg för användningen av Cepheid variabla stjärnor för att mäta avstånd, och med hjälp av hennes metod hade Shapley beräknat att Vintergatan var 300,000 1919 ljusår tvärs över - ett häpnadsväckande påstående 3,000, när de flesta astronomer trodde att solen var i galaxens centrum, och att hela galaxen sträckte sig över XNUMX XNUMX ljusår. Shapley insisterade därför på att andra "spiralnebulosor" måste vara gasmoln och inte separata galaxer, eftersom deras storlek skulle innebära att de var ofattbart långt borta.

Hubble skrev i sin tur upp sina variabla stjärnmått och övertygade alla om att Andromeda verkligen var en separat galax. "Här är brevet som förstörde mitt universum," sade Shapley efter att ha sett Hubbles data.

När det gäller astronomiska avstånd kan dock Shapley inte ha varit så långt borta. Under det mellanliggande århundradet har astronomer beräknat att Vintergatans utbuktning är cirka 12,000 120,000 ljusår i diameter, att skivan sträcker sig över XNUMX XNUMX ljusår och att halo av mörk materia och gamla stjärnhopar sträcker sig hundratusentals ljusår i varje riktning.

En färsk observation fann att vissa halostjärnor är utspridda så långt som 1 miljon ljusår bort - halvvägs till Andromeda - vilket tyder på att halon, och därför galaxen, inte riktigt är ett ö-universum för sig själv.

Astronomer ledda av Jesse Han, en doktorand vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, bestämde nyligen att stjärnglorian inte är sfärisk, som man länge antog, utan formad som en fotboll. I arbetet publicerades den 14 septemberHan och hans team visade också att den mörka materiens halo kan lutas med cirka 25 grader, vilket gör att hela galaxen ser skev ut.

Och även om det kan verka konstigt nog, kan lutningen i sig vara bevis på Vintergatans våldsamma förflutna.

En störning i galaxen

Eoner innan Hubble satt vid okularet, åldrar innan solen föddes, långt innan Vintergatan existerade, ryckte Big Bang isär all materia och spred den urskillningslöst över hela det nyfödda kosmos. De första galaxerna bildades så småningom från bitar av slumpmässigt detritus, och startade en 13 miljarder år lång sekvens som ledde till oss. Astronomer diskuterar krångligheterna i hur dessa händelser utvecklades, men de vet att galaxen vi nu bebor växte genom en komplex process som inkluderade sammanslagningar och förvärv.

I hela universum kolliderar galaxer och kombineras i ofattbart enorma katastrofer. Teleskopet som är uppkallat efter Edwin Hubble fångar dessa kosmiska pileups hela tiden. Och även om det är relativt lugnt idag är Vintergatan inget undantag: genom att sålla igenom arkeologiska register som förs av stjärnor, gasströmmar, så kallade klothopar av tusentals till miljoner stjärnor, och till och med skuggorna från uppslukade dvärggalaxer, forskare lär sig mer om hur Vintergatan utvecklades.

De första antydningarna om våld kom när astronomer kikade genom det stora 200-tums teleskopet vid Palomar Observatory (som Hubble var först med att använda) 1992 fann bevis för att Vintergatan slet isär några av klothoparna i sin gloria. Sloan Digital Sky Survey bekräftade denna observation, och radioteleskop fann senare att galaxen också andades in strömmar av närliggande gas.

I mitten av 2018 anade astronomer att Vintergatan hade smält samman med några små galaxer under hela dess livstid, men att de flesta av dessa var mindre händelser. Den största nyligen sammanslagning, för 10 miljarder år sedan, ansågs involvera Skyttens dvärg-elliptiska galax, som donerade strömmar av gas och grupper av stjärnor till Vintergatans stjärnhalo. Men astronomer förstod inte helt dessa objekt förrän Gaia-satelliten släppte sin andra datamängd 2018.

När astronomer tittade på de detaljerade rörelserna och positionerna för ungefär en miljard stjärnor uppstod tecken på en större störning i galaxen - de såg galaktiska vrakdelar i halon. Där kretsar vissa stjärnor i extrema vinklar och har en annan sammansättning än andra, vilket tyder på att de har sitt ursprung någon annanstans.

Astronomer tog dessa udda stjärnor som bevis på en titanisk kollision mellan Vintergatan och en annan galax. Sammanslagningen, som troligen skedde för mellan 8 miljarder och 11 miljarder år sedan, skulle katastrofalt ha stört den unga Vintergatan, slitit sönder den andra galaxen och utlöst en eldstorm av ny stjärnbildning.

Den kolliderande galaxens lämningar kallas nu Gaia-Sausage-Enceladus, ett resultat av att två team oberoende upptäckt resterna av sammanslagningen. Ett team döpte det efter den grekiska gudomen Gaia, urmoder till jorden och allt liv, och hennes son Enceladus. Den andra märkte att resterna såg ut som en korv. (Vissa astronomer tvist att den inkommande galaxen var den enda inblandade, vilket istället tyder på att många mindre kollisioner under en längre period kunde ha resulterat i de strukturer vi nu ser.)

Sammanslagningen förändrade allt: förloppet av Vintergatans gloria, inre utbuktning och tillplattade skiva.

Nu använder astronomer olika verktyg för att förstå tidpunkten för Gaia-Sausage-Enceladus pileup och hur spädbarns Vintergatan växte upp som ett resultat.

I mars 2022, Maosheng Xiang och Hans-Walter Rix från Max Planck Institute for Astronomy började med att definiera Vintergatan 1.0, proto-galaxen som fanns före alla sammanslagningar. De gjorde detta med hjälp av forntida subgigantiska stjärnor som är mindre än solen och som har förbrukat sitt vätebränsle och nu blir svullna. En underjättestjärnas ljusstyrka motsvarar dess ålder, och dess ljus fungerar som ett fingeravtryck av dess födelsematerial. När Xiang och Rix använde dessa ledtrådar för att härleda migrationshistorierna för en kvarts miljon subjättestjärnor, fann de att den tjocka skivan bildades tidigare än förväntat i teorier om galaxbildning - för 13 miljarder år sedan, knappt ett ögonblick efter Big Bang .

Populära kosmologiska teorier tyder på att det borde ha tagit längre tid för så stora, väldefinierade strukturer att bildas efter Big Bang. Och ändå de fortsätt att dyka upp i James Webb Space Telescopes observationer av avlägsna galaxer, sa Rosemary Wyse, en astrofysiker vid Johns Hopkins University.

"Du kan knyta samman hur vi tror att vår galax bildades med vad JWST ser. Kan vi få en sammanhängande bild av hur en galax bildades? Är vår galax typisk?” Hon sa.

Den tjocka skivan kan ha funnits innan den huvudsakliga sammanslagningen, men den tunna skivan sammanföll med ankomsten av Gaia-Sausage-Enceladus, Xiang och Rix hittade. Denna tvådelade monteringsprocess, som producerar distinkta stjärnskivor, kan vara vanlig, och den kan vara avgörande för gnistbildning av stjärnor. Födelsetalen har sjunkit sedan den frenesien, men Vintergatan gör fortfarande cirka 10 till 20 nya stjärnor om året.

Yuxi (Lucy) Lu, som precis flyttat från Columbia University till American Museum of Natural History, ville förstå historien om den galaktiska skivan och hur den har förändrats över tiden. För att göra det studerade hon hur kemiska förändringar under stjärnors livstid kunde hjälpa till att identifiera deras födelseplatser. Hon fokuserade på liknande svullna, subgigantiska stjärnor, och i ett nytt, opublicerat arbete fann hon att metallrika subjättar - de med ett överflöd av grundämnen tyngre än helium - började växa på allvar runt tiden för Gaia-Sausage-Enceladus-fusionen, mellan 11 miljarder och 8 miljarder år sedan.

Bevisen för Gaia-Sausage-Enceladus fortsätter att hopa sig. Men vad astronomerna fortfarande inte förstår är varför det har varit lugnt sedan dess. Vintergatans kemiska historia och strukturella historia verkar atypiska, sa Lu.

Andromeda, till exempel, har en mycket mer våldsam historia än Vintergatan. Det skulle vara konstigt för vår galax att lämnas ensam så länge, med tanke på andra galaxers historia och den rådande kosmologiska modellen som säger att galaxer växer genom att slå in i varandra, sa Wyse. "Den sammanslagna historien är ovanlig, och församlingens historia. Huruvida vi faktiskt är ovanliga i universum ... skulle jag säga är fortfarande en öppen fråga, sa hon.

Födelse av en ny ö

Även när astronomer plockar ihop galaxens förflutna, studerar andra hur galaxens stadsdelar kan vara lika olika från varandra som städer och förorter - en möjlighet som väcker frågan om hur planeter (och kanske liv) är fördelade i galaxen.

Här, runt en viss stjärna på den lokala armen, bildades åtta planeter runt solen - fyra steniga och fyra gasformiga. Men andra armar kan vara annorlunda. Dessa miljöer kan producera olika populationer av stjärnor och planeter på samma sätt som specialiserad flora och fauna utvecklas på kontinenter med distinkta biosfärer.

"Kanske liv kan bara uppstå i en riktigt tyst galax. Kanske kan livet bara uppstå runt en riktigt tyst stjärna”, sa Jessie Christiansen, en astronom vid California Institute of Technology som studerar galaktiska förhållanden och deras effekter på planetbyggande. "Det är så svårt med det här statistiska urvalet av en; vad som helst [om vår galax] kan vara viktigt, eller ingenting kan vara viktigt."

Ett sekel efter att Edwin Hubble klottrade "VAR!" på en glasplatta förändrar mängden galaxer som löser sig i JWST:s synfält vad vi vet om kosmos och vår plats i det. Precis som vi kan använda Vintergatan som ett astrofysiskt observatorium för att förstå det bredare universum, kan vi också använda det bredare universum och dess miljarder galaxer för att förstå vårt hem och hur vi kom till.

Astronomer fortsätter att ta en sida från Hubbles spelbok och granska Andromeda, den svaga ellipsen på den norra himlen. Som Gaia har gjort närmare hemmet kommer Dark Energy Spectroscopic Instrument vid Kitt Peak National Observatory att mäta enskilda stjärnor i Andromeda och granska deras rörelser, åldrar och kemiska överflöd. Wyse planerar också att studera enskilda stjärnor i galaxen bredvid, med hjälp av Subaru-teleskopet på Mauna Kea.

Att göra det kommer att ge en ny syn på Andromedas förflutna och en ny jämförelse för vår egen galax. Det kommer också att ge en svag glimt av en mycket avlägsen framtid. Vår galax kommer så småningom att förstöra två små närliggande galaxer, de stora och små magellanska molnen, som skriker över rymden i vår riktning. Vår galax börjar redan smälta dem.

"Om vi ​​observerade allt detta om en miljard år från nu, skulle det se mycket rörigare ut," sa Conroy. "Vi råkar bara vara i en tid då det är relativt tyst."

Därefter kommer också Andromeda att följa med oss. Galaxen som spänner över Edwin Hubbles glasplattor kommer inte längre att vara ett ö-universum. Andromeda och Vintergatan kommer att spiralera in mot varandra, deras stjärnglorior virvlar ihop. Över tidsskalor som trotsar förståelsen kommer skivorna också att kombineras, värma upp kall gas och få den att kondensera och antända nya stjärnor. På kanterna av vilken struktur som än byggs härnäst kommer nya solar att dyka upp och med dem nya planeter. Men för tillfället är allt tyst, här på den lokala armen av den enda galax vi någonsin kommer att känna.