Där stjärnor föds

Vid första ögonblicket ser de ut som helt vanliga galaxer. Men när astronomerna på 1980-talet studerade dem med det första rymdbaserade infraröda teleskopet, Iras, såg de att dessa galaxer lyser starkt i infrarött ljus. Det tydde på att galaxerna ligger inbäddade i kraftigt upphettade gasmoln. Varken med synligt eller infrarött ljus gick det att se vilka värmealstrande processer som pågår under gastäckena i galaxernas inre delar.

– Vi blev överraskade och upphetsade. De objekt som Iras hade upptäckt har visat sig vara mycket stora och kraftfulla, säger David Sanders, astronomiprofessor vid Hawaii University som var med från allra första början.

Under det röda täcket

Det tog några år innan astronomerna insåg att de intensivt lysande infraröda galaxerna är de mest ljusstarka objekt som man har funnit i universum. De döptes därför till ultraluminösa galaxer. Men man kunde inte tränga igenom gasmassorna för att se vad som pågår innanför.

– Det var som om de hade dragit täcket över sig och håller på med sina ljusskygga aktiviteter i smyg, säger Susanne Aalto, docent i radioastronomi vid Onsala rymdobservatorium utanför Göteborg.

De ultraluminösa galaxerna är i dag inte längre helt stängda för insyn, men för att kunna rota i deras inre måste astronomerna bege sig bortom astronomins optiska och infraröda strålar och i stället leta efter strålning som kan borra sig igenom gasmassorna. Susanne Aalto utnyttjar radiostrålning som de stora gasmolnen skickar ut. Hon kartlägger kolmonoxidmolnens geografi i avlägsna galaxer, och genom att tolka det atomära vätets utbredning avläser hon deras historia. Radiostrålarna är så långvågiga att de kan ta sig fram mellan gasmolnens molekyler.

Det rymdbaserade röntgenteleskopet Chandra har också varit till stor hjälp för att lyfta på täcket. Röntgenstrålar är så energirika att de tvingar sig igenom gasen. De har avslöjat att det är tiotusentals grader varmt under molnen i de ultraluminösa galaxerna. Bara två fenomen i universum kan förklara en sådan hetta: aktiva supermassiva svarta hål och stora utbrott av stjärnbildning, så kallad starburst. Astronomerna tror alltmer att de ultraluminösa galaxerna erfar båda delarna, och dessutom att det ena föder det andra.

Kan vara stora eller små

En av de mer spektakulära ultraluminösa galaxerna heter NGC 6240 och ligger nästan en halv miljard ljusår bort i universum. Chandra har upptäckt inte bara ett, utan två aktiva supermassiva svarta hål i dess mitt. Röntgenteleskopet kunde urskilja två starka röntgenkällor som på 3 000 ljusårs avstånd från varandra roterar runt ett gemensamt centrum. Sakta men säkert närmar de sig varandra, för att om några hundra miljoner år smälta samman och bli ett.

Galaxen är starkt misstänkt för att vara resultatet av en krock mellan två galaxer med var sitt massivt svart hål i bagaget. De bägge supermassiva svarta hålen utstrålar själva ingen värme, men de utsätter sin närmaste omgivning för en ytterst omild behandling – stora mängder gas och stoft forslas ner i de mörka djupen i en brutal karusellfärd. Denna materia förlorar då stora mängder lägesenergi, som strålar ut i rymden och därmed avslöjar vad som är i görningen.

Alla ultraluminösa galaxer tycks ha särdeles aktiva supermassiva svarta hål i sitt innersta, men på senare år har det stått alltmer klart att detta inte räcker för att förklara deras spektakulära ljusstyrka. Dess-utom har man upptäckt att röntgenkällor är utspridda över hela galaxen och inte bara samlade i dess centrum. Och vad är det som strålar om inte vanliga stjärnor, i mängder samlade i starburstområden. Där råder en babyboom av galaktiska mått: stjärnor tänds med en hastighet som är 10-100 gånger högre än i vår galax. I Vintergatan tänds bara en handfull stjärnor om året.

Starburst kan äga rum i tämligen små regioner som bara är några hundra ljusår tvärsöver eller i stora områden som kan breda ut sig över tiotusentals ljusår. Astronomerna vet inte riktigt vad det är som tänder dessa utbrott, och inte heller vad som får dem att upphöra.

Känslig balans

En stjärnas födelse är resultatet av en svår balansakt mellan flera motverkande krafter. Det måste vara hett i gasmolnet, upp till fyra miljoner grader, för att kärnreaktioner ska starta och stjärnan börja lysa. Men det får inte bli hett för fort, för då ökar det utåtriktade trycket i gasmolnet. I så fall splittras det i stället för att tryckas ihop till en stjärna.

Men i en starburst löper stjärnbildningen amok. Och det blir hett. När många nya stjärnor tänds, bildas också en stor mängd tunga stjärnor som efter en kort livstid, några miljoner år, exploderar i supernovautbrott. Den döende stjärnan kastar då ur sig sitt innandöme av nytillverkade grundämnen. De drar fram i supervindar som kan blåsa upp till 20 000 kilometer i sekunden. På sin väg förstör vindarna de sköra stjärnbildningsmolnen, och miljön blir med tiden alltmer ogynnsam för starburst. Men det finns också starka krafter som får gasen att fortsätta att klumpa ihop sig och tända nya stjärnor.

Starburst uppkommer inte bara i de ultraluminösa galaxer som Iras upptäckte på 1980-talet, utan också i mer städade galaxer och till och med i små dvärggalaxer. När man ska försöka förstå vad det är för mekanismer som tänder en starburst framträder vissa karakteristiska drag. Starburst huserar ofta i galaxer som både har varit utsatta för en krock och som har ett supermassivt svart hål i mitten. Och många av dem innehåller tät gas, som de dimhöljda ultraluminösa galaxerna.

Galaxkollision nödvändig

Forskningen om starburst började redan på 1970-talet med en berömd artikel i Astrophysical Journal. Forskarna hade i optiska våglängder sett att vissa kolliderande galaxer lyser mer i blått än andra, en indikation på att där finns nytända stjärnor. Man tog det som intäkt för att galaxkrockar får gasen att ryckas loss från ett jämviktsläge och kollapsa till stjärnor; alltså att en kollision mellan två galaxer tänder en starburst.

– Det var sensationslystnad, man ville att det skulle hända något dramatiskt när galaxer krockar, säger Nils Bergvall, som är docent i astronomi vid Uppsala universitet. Men det är svårt att veta vad som egentligen händer, säger han. Det kan ju bli tvärtom – att gasen får fullt upp med att tackla alla nya tidvattenkrafter som en kollision för med sig att den faktiskt störs i sin stjärnbildningsprocess.

Tillsammans med Susanne Aalto och den finländske astronomidocenten Eija Laurikainen publicerade Nils Bergvall för några år sedan en artikel i tidskriften Astronomy & Astrophysics, där de hävdar att det inte räcker med en galaxkrock för att en starburst ska ta form. De studerade 38 normala galaxer och 59 kolliderande galaxsystem. Resultatet förvånade Nils Bergvall, som hade förväntat sig att stjärnbildningen i galaxer som krockar skulle vara runt tio gånger effektivare än i vanliga galaxer.

– Vi kunde se att stjärnbildningen hade ökat något i de växelverkande galaxerna, men effekten var inte särskilt stor, säger han. Slutsatsen är att det är svårt att bilda en starburst.

Nyheter från Medusa

Men eftersom de allra flesta starburstgalaxer ändå är inblandade i en krock måste det betyda att kollisionen är väsentlig men inte tillräcklig – andra omständigheter avgör om starbursten verkligen tänds eller inte.

Att gasen är tät räcker inte, det har man sett i den udda galaxen Medusa som ligger 130 miljoner ljusår bort. Hubbleteleskopets bilder av Medusa visar hur dess starburst brinner i starka färger över hela galaxen. Men med hjälp av radioastronomi kan man se att gasen och stoftet inte är koncentrerat i täta sammanslutningar.

– Medusa är en mycket störd galax som har två svansar. Vi misstänker att den är resultat av en krock mellan en elliptisk galax och en eller två spiralgalaxer. Det kan förklara varför gasen är utspridd över hela galaxen och inte samlad i dess centrum, säger Susanne Aalto.

Den ena svansen består av lysande stjärnor som kan observeras med Hubbleteleskopet. Den andra svansen pekar åt motsatt håll och består av atomärt väte, som bara kan studeras med hjälp av radioteleskop.

– Svansarna ger en tydlig vink om vad som har hänt Medusa. De är resterna av de inblandade spiralgalaxernas armar, säger Susanne Aalto.

Atomär vätgas är lättflyktig, och den påverkas först när två galaxer börjar närma sig varandra. Vätet lämnar spår som visar hur sammanslagningen har gått till. Susanne Aalto gör en jämförelse med kriminalteknik.

– Det är som blodspår i snön av kroppar som har släpats runt. Vätet visar hur galaxerna har rivit ut gas ur varandra.

Susanne Aalto har upptäckt att Medusa roterar som en stel kropp, till skillnad från en spiralgalax där gasmolnen roterar med olika hastigheter. För Medusas del innebär det att gasmolnen kan kollapsa och tända stjärnor i fred. I en spiralgalax störs stjärnbildningen av att gasmolnen ständigt ligger och gnider mot varandra. Det skulle kunna förklara hur en starburst i Medusa har kunnat starta trots att det inte finns tät gas från början.

Händer kanske här också

Medusa är inte någon ultraluminös galax – men skulle kanske kunna bli det om det massiva svarta hålet i dess mitt väcks till liv och blir aktivt. Astronomer tror i dag att nästan alla galaxer härbärgerar ett svart hål i mitten, inklusive vår egen Vintergata. Men de flesta av dem är tämligen stillsamma. Dock skulle en plötslig stjärnbildning kunna få i gång aptiten, så att den slukande helveteskarusellen startar. Just sambandet mellan starburst och supermassiva svarta hål sysselsätter många astronomer i dag.

– Personligen tror jag att en starburst kommer först och därefter det aktiva supermassiva svarta hålet, säger Hawaiiastronomen David Sanders som var först att påvisa att det kan finnas ett samband mellan de båda.

David Sanders är mer optimistisk om krockande galaxers förmåga att tända en starburst än vad Nils Bergvall är. Den begränsande faktorn anser han bara vara mängden gas som de bägge galaxerna för med sig i boet. När två galaxer fullproppade med gas kolliderar, förs enligt David Sanders gas in till centrum där det blir så varmt, trångt och stökigt att en starburst tänds. Gas fortsätter sedan att forslas in till centrum och ner i det supermassiva svarta hålet. Och ju mer föda det svarta hålet får, desto hungrigare och aggressivare blir det. Till slut släpper det loss och blir aktivt och galaxen blir ultraluminös.

– Om du krockar Vintergatan med Andromeda kommer det att hända också här, säger David Sanders.

Dessa två galaxer är på kollisionskurs och kommer att braka in i varandra om sisådär fyra miljarder år. Den som lever får se.