Vintergatans ensamma planeter

Även på våra breddgrader har Vintergatan bleknat. Ljusföroreningarna ökar och är nu så omfattande att vi i stora delar av Europa bara kan se de ljusaste stjärnorna. Det är ett miljöproblem som sällan uppmärksammas. Men en mörk natt i havsbandet eller på en bergstopp långt från stadsljus är upplevelsen av Vintergatan mäktig. Det ljusa bandet med myriader av stjärnor, de flesta mycket avlägsna, sträcker sig runt hela himlen.

Det var först på 1700-talet som frågan på allvar ställdes: varför är stjärnorna inte jämnt fördelade över himlen? I efterhand tycks svaret självklart. Solsystemet ligger i en platt skiva befolkad av åtskilliga miljarder stjärnor, och i riktningar mot skivans plan ser vi genom långa kolumner fyllda av stjärnor. I riktningar ut från planet finns bara grannstjärnor ovan och under oss, som stjärnorna i stjärnbilder som Karlavagnen och Lejonet. Vintergatan ser vi som en projektion av vår galax på himlavalvet.

I den antika mytologin skapades Vintergatan när Zeus försökte förmå Hera att dia Herkules, ett barn han fått med en jordisk kvinna. Bestört föser Hera barnet åt sidan och ut flödar bröstmjölken på himlen. Historien har satt spår i många språk där Vintergatan fått namnet ”mjölkvägen” – exempelvis Milky Way, Milchstrasse och Via Lattea. Och förvisso kan man associera till mjölkstänk när man zoomar in himlens praktfulla, lysande gasmoln, nebulosorna. En av de ljusaste finns i Orions stjärnbild, och kan lätt ses utan kikare i Orions svärd. Förutsatt att man befinner sig under en mörk natthimmel vill säga.

Det finns mörka nebulosor också, som vi numera kallar molekylära moln. Det är ansamlingar av kall gas och rök, vars stoftkorn sprider och absorberar ljus från bakomliggande stjärnor, så att molnen avtecknar sig som mörka siluetter mot bakgrunden. Vissa är små, de väger inte mer än några gånger solens massa. De kallas globuler och en del av dem kan kollapsa under sin egen tyngd. Efter hand bildas så en eller flera stjärnor, sannolikt med tillhörande planetsystem. Andra moln är betydligt större, och det finns bamsingar som väger mer än en miljon gånger solens massa. Det är i dessa som hela hopar med tusentals stjärnor kan bildas. Och det är här nebulosorna ser dagens ljus.

Det efterföljande förloppet är dramatiskt. De massiva stjärnorna bildas först och sänder ut inte bara intensiv ultraviolett strålning, utan också snabba vindar av het gas, som med hastigheter på flera tusen kilometer i sekunden dammar in i omgivande molekylär gas. Dessa båda processer leder till att omgivningen hettas upp kraftigt och expanderar ut från stjärnhopens centrum. En kompakt lysande nebulosa har tänts.

Bubblan växer och sveper upp omgivande kallare materia, som trycks ihop till skal som acceleras utåt och färdas genom molnet med hastigheter på någon mil i sekunden relativt stjärnhopen. På vägen bryts skalen upp i långsträckta trådar och klumpar.

Här och där släpar större klumpar efter i expansionen, men de är fortfarande förbundna med skalet, och på så sätt bildas pelare av kall gas som alla pekar in mot den nybildade stjärnhopen. Klumparna fick tidigt namnet elefantsnablar, och avtecknar sig som svarta siluetter mot den lysande gasen. Men på bilder tagna i infrarött ljus lyser de alla, eftersom stoftkornen värmts upp en aning och utsänder denna mer långvågiga strålning.

Det expanderande skalet innehåller alltså materieklumpar, som även de kan bilda nya stjärnor. Eftersom skalet expanderar, innebär det att de nybildade stjärnorna redan från början rör sig ut från centrum och kommer att skjuta ut i Vintergatans djup med höga hastigheter. Även stjärnhopen spottar kontinuerligt ut stjärnor; stjärntätheten i hopens centrum är så hög att gravitationen mellan medlemmarna förorsakar störningar så att stjärnor kickas ut.

Nebulosorna är alltså resultatet av att nybildade stjärnor injicerar energi i det omgivande molekylmolnet. Först bildas en lysande knopp och efter ett par miljoner år står nebulosan i full blom med alla sina schatteringar av kvarvarande kall materia.

Tusentals stjärnor bildas i centrum och nya tänds i de expanderande skalen. Innanför skalet uppstår ett hålrum, fyllt av mycket tunn och het röntgenstrålande gas. Efter ytterligare några miljoner år, då nebulosan vissnar och bleknar bort, finns stjärnhopen kvar, samtidigt som en hel svärm av utkastade stjärnor fyller den omgivande rymden.

Även i senare skeden händer det att en och annan stjärna kastas ut. Stjärnhopar förångas alltså med åren och minskar i antal medlemmar. Det är mycket möjligt att solen en gång bildades i just en sådan miljö, men avvisades till ett liv i ensamhet.

Kunskapen om nebulosornas egenskaper och utveckling bygger på observationer i flera våglängdsområden – från kortvågigt energirikt röntgenljus över ultraviolett och synligt ljus och till långvågigt infrarött ljus och radiostrålning. Till detta kommer teoretiska modeller av hur all denna information kan tolkas, och numera görs imponerande detaljrika matematiska simuleringar av hur en nebulosa utvecklas över tid. Det är därför vanligt att forskare samarbetar så att medlemmarnas olika kompetens kan tillvaratas, och för min egen del har sådana nätverk innefattat åtskilliga institutioner både i och utanför landet. Fokus har legat på nebulosornas kalla strukturer och de nybildade solsystemen, med målet att förstå objektens fysiska och kemiska egenskaper och hur och varför de förändras med tiden.

En av de institutioner som bidragit med specialkunskap är Alfvénlaboratoriet vid Kungliga tekniska högskolan. Beträffande de molekylära molnen fanns tidigt idéer om att elektriska strömmar och magnetfält spelar stor roll vid utformningen av molnens struktur. Vi astronomer följde upp med observationer, och en särskild studie gjordes av elefantsnablar i ett tiotal nebulosor. Första steget blev att kartlägga nebulosorna vid en våglängd i rött där nebulosans väteatomer ger kraftig emission, och mot vilken kallare moln avtecknar sig som mörka konturer. Därefter undersöktes hur radiostrålningen från olika molekyler är fördelad. Så kan mängden gas och stoft och objektens hastighet härledas, liksom temperaturen och tätheten. Slutligen avbildades utvalda områden i infrarött ljus, som spårar värmestrålningen från stoftkornen men också emission från vätemolekylen H₂. Data från teleskop i Sverige, Chile och Spanien kombinerades med data från teleskop i rymden. Resultaten är många, och till de viktigaste hör:

1. Vissa av elefantsnablarna består av knippen av mycket tunna trådar av kall molekylär gas och rök, och de är virade runt varandra i vad som påminner om elektriska koaxialkablar. Observationerna ger näring åt teorier om hur elektromagnetiska krafter styr snablarnas struktur och utveckling.
2. Mätningarna av hastigheter i synlinjen till olika delar av snablarna avslöjade att hastigheten gradvis förändras från snabelns topp till botten men också från kant till kant, tvärs över snabeln. Det första resultatet vittnar om att snablarna sträcks ut med tiden. Den tyngsta klumpen accelererar helt enkelt långsammare än skalet. Det andra resultatet visar att snablarna roterar, vilket förklarar varför många uppvisar en virad, spiralformad struktur. Enorma mängder rotationsenergi transporteras därmed ut från centrum, vilket demonstrerar hur molnen kan bli av med sitt överskott av sådan energi när stjärnhopar bildas.

Redan i kontrollrummet vid Nordiska teleskopet på La Palma såg vi små svarta fläckar i nebulosorna, som vi först trodde var skadade pixlar i kameran. Vad vi i själva verket hade upptäckt var ytterst små, täta moln omgivna av nebulosans varma men tunna gas. En närmare granskning visade att de flesta inte är större än vårt planetsystem, om man räknar in även omgivande moln av kometer.

Andra före oss hade noterat sådana små fragment och mätt storleken på dem. Vi kunde beräkna objektens massor och fann att de motsvarar bara en eller några gånger Jupiters massa. Den praktfulla Rosettnebulosan, till exempel, hyser mer än 100 sådana objekt, som vi gav namnet globuletter för att skilja dem från de större globulerna ute i Vintergatan. Kombinationen av resultaten från observationer i optisk strålning och infraröd strålning respektive radiostrålning har lett till följande bild:

• De flesta globuletter är av planetmassa, och de har sannolikt knoppats av från klumpar som först bildas i skal och elefantsnablar. De är exponerade för kraftigt ultraviolett ljus från stjärnorna, och detta får ytan att fluorescera med ljus från vätemolekylen.
• Den höga inre tätheten och det tryck som omgivningen utövar visar att många, kanske flertalet av globuletterna, kan falla ihop under sin egen tyngd. I så fall bildas fritt flytande planeter. I de största klumparna finns redan kompakta kärnor, vilket stöder hypotesen om gravitationell kollaps, och då kan även små stjärnor bildas, så kallade bruna dvärgar.
• Liksom skalen rör sig globuletterna ut från stjärnhopen med höga hastigheter. I Rosettnebulosan är den relativa hastigheten typiskt 22 kilometer per sekund. Det innebär att om det bildas planeter där, så kommer dessa ensamma planeter att skjutas ut i Vintergatan som interstellära kanonkulor precis som stjärnorna på flykt. Utfrusna världar utan egen sol.
• Carinanebulosan är himlens praktfullaste nebulosa. I en färsk genommönstring fann vi närmare 300 globuletter, som statistiskt sett är mindre och samtidigt betydligt tätare än de i andra regioner. Gissningsvis representerar de ett mer utvecklat stadium, där ett tunnare hölje har försvunnit och blottlagt de kompakta kärnorna.

För några år sedan kom upptäckten att det kryllar av fritt flytande planetliknande kroppar i Vintergatan. Denna upptäckt baseras på de ljusblixtar som uppstår då en sådan himlakropp passerar en bakomliggande stjärna, ett resultat av att ljus böjer av i en så kallad gravitationslins.

Resultaten från åtskilliga sådana passager ledde forskarna till slutsatsen att det totala antalet fria planeter i Vintergatan överstiger 200 miljarder, betydligt fler än antalet solliknande stjärnor. Enligt den gängse teorin bildas dessa ensamma vandrare i unga planetsystem, där en planet kan kastas ut på grund av störningar. Men globuletterna kan vara en alternativ källa, eftersom mycket pekar på att många håller på att dra sig samman. Ännu vet vi inte om planetliknande objekt bildas på detta sätt, för dagens instrument kan inte detektera så ljussvaga objekt.

Vintergatan är mer än 10 miljarder år gammal och har fött fram miljontals nebulosor och åtskilliga miljarder globuletter. Med det nya gigantiska radioögat ALMA i Chile, bestående av 66 radioantenner på 5 050 meters höjd i Atacamaöknen, kan så småningom den inre molekylära strukturen upplösas, vilket skulle ge nya ledtrådar beträffande de mörka objektens öde.

Utforskningen av rymden har uppdagat många kufiska fenomen och objekt, som vi tidigare inte ens kunnat föreställa oss. När vi blickar mot Vintergatans myller av ljusa stjärnor så vet vi numera att där också finns ett stort antal mörka, planetliknande objekt. De är en del av den så kallade mörka materien, denna osynliga materia som fyller nästan en fjärdedel av universums totala energi. Men trots att de är många utgör de bara en liten bråkdel av denna mystiska materia, som ännu väntar på sin fysikaliska förklaring.

Om forskaren: Gösta Gahm

Gösta Gahm är professor emeritus vid Stockholms universitet. Han är också en av upphovsmännen till världens största modell av solsystemet, Sweden solar system, där solen representeras av Globen i Stockholm och planeterna återfinns norröver i Sverige, i skala 1:20 miljoner.