Vintergatans bulb

Om du befinner dig på en riktigt mörk plats en klar vinternatt kan du se ett diffust ljusband som en molnstrimma över himlen. Det består av miljontals och åter miljontals stjärnor som utgör den synliga delen av vår galax, Vintergatan. Stjärnorna är så långt borta att de lyser med svagt sken.

Ljusbandet går runt hela himlavalvet, så om du hamnar på en lika mörk plats på södra halvklotet kan du se fortsättningen på galaxbandet. Då skulle du dessutom märka en utbuktning i området kring Skyttens och Skorpionens stjärnbilder. Den utgörs av en enorm mängd stjärnor som samlats där, kring det svarta hålet i Vintergatans centrum. På svenska kallas utbuktningen för bulben – enligt Svenska akademiens ordlista är bulb en rundad utbuktning (ordet kommer från latinets bulbus och grekiskans bolbos som båda betyder lök).

Nästan en fjärdedel av galaxens alla stjärnor finns där kring Vintergatsskivans mitt, ungefär 26 000 ljusår bort från oss. Hur har denna utbuktning bildats? Och vad hände sedan?

Det är inte bara Vintergatan som buktar ut i mitten; bulber finns i många av de hundratals miljarder galaxer som fyller universum. Vår egen bulb är den närmast belägna och naturligtvis den som vi kan utforska mest detaljerat. Genom att studera stjärnor i Vintergatsbulben hoppas astronomerna få mer kunskap om hur Vintergatan en gång bildades och sedan utvecklades genom årmiljarderna. Och i förlängningen om hur galaxer generellt kommer till och förändras. Det tycks nämligen finnas ett starkt samband mellan bulbens egenskaper och hela galaxens utveckling. Men vi vet förvånansvärt lite om detta i allmänhet, och också förbluffande lite om Vintergatsbulben.

Ruvar bakom stoft och gas

De stjärnor som man kan uppfatta som ett svagt lysande ljusband på himlen ligger egentligen i en diskusformad skiva som rymmer merparten av galaxens hundratals miljarder stjärnor. Jorden och vårt solsystem befinner sig halvvägs ut från skivans mitt. Från vår position i skivan kan vi således betrakta vår egen galax inifrån. Att korsa tvärs över den tar 100 000 år för en ljusstråle. Däremot är galaxskivan relativt tunn – bara 5 000 ljusår. Utanför denna skiva, i en klotformad halo runt om, befinner sig bara ett par procent av Vintergatans stjärnor.

Vi astronomer misstänker dessutom att det runt vår galax finns ytterligare en halo av mycket större utsträckning, som består av osynlig så kallad mörk materia, vars natur för närvarande är fullständigt okänd. Det är denna yttre halo som vi tror innehåller största delen av Vintergatans massa.

Medan både den inre, synliga halon och galaxskivan har studerats intensivt och systematiskt under många år, har bulben inte förrän nu kunnat undersökas i detalj. Det beror främst på den stora mängd stoft som finns mellan stjärnorna i riktningen mot bulben och som skymmer sikten mot galaxens centrum.

På vissa områden av himlen når oss bara något mer än en miljarddel av det synliga ljus som en stjärna bakom stoftet skickar ut. Dessa områden tycks följaktligen nästan helt mörka, förutom några stjärnor i förgrunden. Men mer långvågig strålning, som värmestrålning, har mycket lättare än synligt ljus att ta sig igenom det stoft som finns mellan galaxerna. Så om man använder infraröda strålar kommer det fram så mycket som en tiondel av den utsända strålningen. Vinsten med att observera i infrarött är alltså stor.

Problemet är bara att infraröd strålning, det vill säga värmestrålning, är svårare att mäta. Minsta värme förstör mätningarna. Men den tekniska utvecklingen har nu lett till att vi i dag kan ge oss i kast med att studera bulbens hemligheter i infrarött ljus. Det har bland annat blivit möjligt med hjälp av instrument som har utvecklats inom det europeiska sydobservatoriet ESO i Chile, där Sverige deltar.

Stjärnorna verkar för unga

Redan i dag vet vi att det finns en hel del egenskaper som skiljer stjärnorna i bulben från andra stjärnor i Vintergatan. Exempelvis tror vi att flertalet av bulbstjärnorna är mycket gamla, cirka 12 miljarder år. Men det tycks också finnas ett bestånd av yngre stjärnor allra närmast centrum, inom en radie på 400 ljusår. Det finns också mindre gas och stoft mellan stjärnorna i bulben än i Vintergatsskivan i övrigt. Stoftet som skymmer bulben ligger utmed siktlinjen genom skivan och alltså inte så mycket inne i själva bulben.

Trots att stjärnorna i bulben mestadels är gamla verkar de samtidigt vara relativt rika på grundämnen tyngre än väte och helium, de som astronomerna kallar metaller. Detta verkar motsägelsefullt: det kosmiska kretsloppet innebär att metallhalten är högre i unga stjärnor än i äldre.

De allra äldsta stjärnorna består mest av väte och helium som till största delen skapades i big bang. Alla de andra ämnena – metallerna – har bildats genom kärnreaktioner inuti stjärnor. När dessa så småningom dör, sprids de nytillverkade grundämnena ut i rymden till gasen mellan stjärnorna. Ur gasmolnen bildas i sin tur nya stjärnor, som med tiden skapar ännu mer metaller. Metallhalten i rymden ökar således hela tiden.

Men metallinnehållet i de gamla bulbstjärnorna är alltså i allmänhet större än i andra gamla stjärnor i Vintergatan. Det beror på, tror vi, att stjärnorna som i dag finns i bulben bildades under en snabb och kraftig stjärnbildningsperiod för 12 miljarder år sedan. Det skedde alltså redan någon miljard år efter big bang, och avstannade sedan nästan helt, med undantag av den mittersta delen av bulben. Vi känner däremot inte till några detaljer om hur olika metallhalter har utvecklats med tiden eller hur halterna varierar i bulbens olika delar.

I likhet med alla andra stjärnor i Vintergatan rör sig bulbstjärnorna i banor som ligger mer eller mindre i ett plan, medan stjärnorna i halon rör sig längs mer slumpmässigt spridda banor. Det förefaller som om Vintergatsbulben är en rimligt avgränsad struktur med en stavliknande form, till skillnad från halon som är mer klotformad.

Vi har starka skäl att anta att det i Vintergatans centrum finns ett supermassivt svart hål, omkring 2,5 miljoner gånger tyngre än solen. Astronomerna har också funnit ett samband mellan massan hos bulberna i olika galaxer och de svarta hålen i deras mitt: ett genomsnittligt supermassivt svart hål har en massa på ungefär en tusendel av bulbens massa. Det tyder på att tillkomsten av bulber och supermassiva svarta hål inuti galaxer hänger samman.

Vår galax stämmer inte

Grovt sett talar vi om två olika typer av bulber – de klassiska bulberna och de så kallade pseudobulberna. Uppdelningen grundar sig på olika idéer om hur bulberna har uppkommit. Ett problem är dock att Vintergatans bulb inte passar in i någon av modellerna.

Klassiska bulber uppstår när lika stora galaxer kolliderar med varandra. Det bildas då en ny galax med en stor klotformad central ansamling av stjärnor, en bulb. Stjärnorna där är i allmänhet gamla och har bildats tidigt, under en period med kraftig stjärnbildning. Efteråt bildas det nästan inga nya stjärnor alls. Vidare har stjärnorna relativt hög metallhalt. Typiska klassiska bulber hittar vi i exempelvis Sombrerogalaxen och vår granngalax Andromeda.

En galaxkrock som ger upphov till en klassisk bulb sker relativt hastigt. Till skillnad från de klassiska bulberna har pseudobulber bildats under lång tid och under lugnare förhållanden. De har inte varit med om någon galaxkollision på mycket länge. Stjärnorna i en pseudobulb är mer lika stjärnorna i sin galaxskiva, eftersom de har skapats av material från denna. Ett av de viktigaste kännetecknen för en pseudobulb är att stjärnorna fortfarande håller på att bildas där och att vi därmed ser många unga stjärnor. Till en typisk pseudobulb hör också att stjärnornas banor ligger mer i galaxplanet. Vidare är dessa bulber inte så klotrunda, utan uppvisar flera olika former som stavar och ringar. En typisk galax med en pseudobulb i centrum är NGC 1365.

De klassiska bulberna uppkom främst under universums tidiga historia, medan pseudobulberna, som alltså bildas i lugnare takt, kommer att bli allt vanligare med tiden. Vi hittar även galaxer som inte verkar ha några bulber alls.

Vintergatan stämmer som sagt inte riktigt med de utstakade galaxtyperna. Den har visserligen en synlig bulb med en liten stav, vilket är typiskt för en pseudobulb. Men stjärnorna i bulben, deras ålder och metallhalter, liknar dem i klassiska bulber. Detta utgör ett problem som vi måste reda ut.

Vi kommer att krocka

Vad var då först – bulben eller dess värdgalax? Svaret varierar med modellerna för hur vi tror att Vintergatsbulben har uppkommit. I en modell tillkom galaxskivan först och bulben växte till senare när stjärnorna bildades i skivans mitt. I en annan modell formades bulben först och skivan växte till efteråt.

Den senare idén är en klassisk modell från 1960-talet. Det finns två varianter av den. En där stjärnbildningen först startar i halon och metallrik gas sedan ansamlas i centrum där bulben uppstår. I den andra modellen börjar stjärnorna bildas där gasen är tätast, alltså i centrum. Så småningom avslutas denna stjärnbildning, och orsaken till det skulle vara att de nybildade stjärnorna påverkar omgivningen kraftigt genom starka stjärnvindar när de vid sin död exploderar i supernovautbrott.

Dessa modeller måste utvecklas vidare, eftersom de inte tar hänsyn till kollisioner mellan galaxer, något som vi i dag tror är ganska vanligt och som påverkar bulberna i högsta grad. Det råder exempelvis stor sannolikhet för att Vintergatan kommer att kollidera med Andromedagalaxen om ett par miljarder år. Då bildas en helt ny bulb med en mängd nya stjärnor som uppstår ur de kolliderande rymdgaserna.

Framtida forskning får utvisa vilken modell eller vilken kombination av idéer som är det mest rimliga för uppkomsten av just vår bulb.

Söker efter fler fönster mot stjärnorna

Olika typer av bulber ger ifrån sig strålning i olika våglängder och har olika grundämneshalter. Bäst utforskas bulbstjärnor i infrarött ljus med våglängder på 1-3 mikrometer. Ljuset samlas av stora teleskopspeglar där det sedan delas upp i många olika våglängder, ett spektrum. För att spektrumet ska vara riktigt användbart måste strålningen spridas ut ordentligt så att vi kan urskilja detaljerna. Det kräver i sin tur hög intensitet på ljuset, något som först nyligen har blivit möjligt tack vare teleskopspeglar med diameter på 8 till 10 meter.

De värden som vi mäter i ljuset från stjärnorna jämförs sedan med teoretiska modeller för stjärnornas atmosfärer. Då kan vi få fram vilka grundämnen som en stjärna en gång bildades av.

Men för att avläsa hur halterna av olika ämnen har förändrats med tiden måste vi välja våra studieobjekt på ett smart sätt. Vi måste hitta många stjärnor som har behållit sin ursprungliga sammansättning, men som samtidigt är tillräckligt varierade. Vi vill också att de ska finnas på olika ställen i bulben. Får vi fram en tillräckligt bra samling, kan vi faktiskt lista ut hur fort stjärnorna bildades, vilka typer av stjärnor som har funnits i bulben och hur de galaxkollisioner som måste ha inträffat under Vintergatans livstid har gått till.

Hittills har vi främst använt oss av ett visst område på himlen – det så kallade Baades fönster, 4 grader nedanför galaxcentrum, där bulbstjärnornas strålar obehindrat kan ta sig ända fram till oss. Men eftersom det är viktigt att få fatt i stjärnor på olika ställen i bulben, måste vi använda även andra titthål med förhållandevis lite skymmande stoft i vägen. Sådana fönster finns, och dem tänker vi kika igenom för att så långt möjligt klarlägga vår Vintergatas kosmiska sammanhang och historia.