Sökandet efter kvasarernas innersta

Det här är en artikel från 2015.

En stor del av ljuset i en galax kommer från stjärnor, men inte allt ljus och inte i alla galaxer. Det existerar nämligen en sorts galaxer som sänder ut mer ljus än andra. De går under namnet aktiva galaxer.

När universum var blott två miljarder år gammalt härskade de mäktigaste av alla aktiva galaxer – kvasarerna – storslagna i sin ljusstyrka och överlägsna i antal. Inga andra ting i kosmos har någonsin kunnat mäta sig med kvasarerna under kulmen av deras herravälde; det sammanlagda ljuset från alla glödande stjärnor i tusentals galaxer kan någon gång emellanåt mäta sig med ljuset från en enda kvasar. Och inga andra ting har gått ett så obegripligt öde till mötes som kvasarerna.

Ljuset från kvasarerna kommer inte från stjärnorna utan från ett litet oansenligt område i galaxens centrum – den aktiva galaxkärnan. Det är knappt större än vårt eget solsystem och ofta så bländande att det överglänser resten av galaxen. Kvasarer och de aktiva galaxerna utgör således en av astronomins märkligaste gåtor.

Vår berättelse börjar 1963, när den första kvasaren upptäcktes. Den nederländske astronomen Maarten Schmidt trodde först att det var en konstig stjärna han hittat. Fotot han höll i sin hand visade ett objekt som var sällsynt starkt lysande men punktformigt – just som en stjärna. Konstigt nog verkade stjärnan ligga ovanligt långt bort. Dessutom var dess ljusspektrum, fördelningen av ljuset, typiskt för redan tidigare kända galaxer.

Hur kunde han se en enskild stjärna så långt bort? Och hur kunde en stjärna ha samma spektrum som en hel galax? Det punktformiga objektet fick det engelska namnet quasi stellar object, förkortat quasar – kvasar på svenska. Med ett större teleskop kunde astronomerna så småningom se även resten av kvasaren och den helt alldagliga värdgalaxen runt om den. Snart fann de flera typer av aktiva galaxer. Vissa sände ut radiostrålning, andra kunde variera sin ljusstyrka på bara några få timmar. En del var massiva monster med jetstrålar som sträckte sig miljontals ljusår ut i rymden och som hänsynslöst plöjde igenom allt i sin väg.

De aktiva galaxerna kom att bjuda på fler överraskningar. Trots de väldiga avstånden kunde de nå en otrolig ljusstyrka. Ibland tycktes jetstrålarna överstiga ljusets hastighet, vilket strider mot Einsteins relativitetsteori. Det allra mest paradoxala var dock upptäckten av att två aktiva galaxer, som tydligt utbytte gas, verkade ligga på helt olika avstånd från jorden.

Långsamt började mysterierna skingras, ett efter ett. De förmodade överljushastigheterna kunde förklaras med en effekt som uppstår när jetstrålar pekar nästan rakt mot oss. Återigen var Einsteins relativitetsteori tryggad. Paradoxen med avstånden var inget annat än en synvilla.

Observationer avslöjar åtskilliga släkten av aktiva galaxkärnor. Somliga strålar i radiovåglängder och har kraftiga utflöden från kärnan. Andra aktiva galaxer, de så kallade Seyfertgalaxerna, är enklare: de visar inga sådana flöden eller jetstrålar och är betydligt mer blygsamma i sin skepnad än kvasarerna. Blazarer, däremot, kan blända med sina oförutsägbara växlingar i ljusskenet. De har visat sig vara kvasarer med jetstrålar som man råkar kika rakt in i.

På 1980-talet florerade alla tänkbara, vilda idéer om vad som finns i mitten av en aktiv galaxkärna. Kunde maskhål, dessa hypotetiska tidsmaskiner från relativitetsteorin, dväljas där, gömda i galaxkärnans innersta? Fanns det möjligen kolossala stjärnor därinne, tyngre än man tidigare hade anat och alltför massiva för att leva längre än ett kort kosmiskt ögonblick? Eller bildades det i en strid ström nya stjärnor där?

Snart blev astronomerna ense om att oavsett vad som fanns i centrum hos en aktiv galax så borde alla de olika galaxkärnorna helst kunna förklaras utifrån en och samma modell. Trots skillnader mellan olika typer av aktiva galaxer förenas de av att de flesta galaxkärnor faller inom två huvudklasser: de med breda vätelinjer i sina ljusspektrum och de med smala vätelinjer. Många gånger väljer man att hänvisa till dem med breda linjer som aktiva galaxer av typ-1, medan de med smala linjer kallas typ-2. Den egentliga utmaningen blir då att begripa hur de två typerna förhåller sig till varandra och om de styrs av samma drivkrafter.

Efter hand började de teorier som tidigare frodats att avmattas. Långsamt staplades observationerna på varandra: vad som än fanns längst inne i galaxkärnan så höll det den närliggande gasen i ett fast grepp med sin gravitationskraft. Något utomordentligt tungt måste finnas där.

Idag tror de flesta astronomer att ett svart hål måste finnas innerst inne i mitten av de flesta galaxer. I centrum av vår galax, Vintergatan, i den kompakta radiokällan Sagittarius A*, kretsar stjärnorna kring en medelpunkt där ingenting syns i tomrummet. Forskarna har i många år följt stjärnan S2 i dess elliptiska omloppsbana kring den tomma punkten.

På detta sätt kunde massan av det riktigt tunga osynliga objektet uppskattas till mellan tre och fyra miljoner solmassor, samlade inom en radie på bara 17 ljustimmar. Ett supermassivt svart hål hade upptäckts i Vintergatans mitt.

I en aktiv galax är det supermassiva svarta hålet omkring tusen gånger tyngre än i Vintergatan och mer aktivt. Den mest utforskade hypotesen i dag är att stora mängder het gas samlas kring supermassiva svarta hål i de aktiva galaxkärnorna och driver en intensiv produktion av ljus, och därmed även aktiviteten. Beroende på hur gasen flödar in kan olika tillstånd uppstå hos gasen och därmed även olika sätt att producera själva ljuset. Hur kommer det sig då att man bara ser breda vätelinjer i aktiva galaxer av typ-1 men inte i typ-2?

En möjlig förklaring dök upp i mitten av 1980-talet. Den unge astronomen Robert Antonucci och hans handledare Joseph Miller hade i USA studerat den äldsta kända aktiva galaxen, NGC 1068, som upptäcktes redan 1908. I stället för vanliga astronomiska observationer använde de en speciellt kraftfull metod, kallad polarimetri, som bland annat kan avslöja hur ljus från galaxkärnan sprids mot stoft i förgrunden.

När Antonucci och Miller nu studerade NGC 1068, som är en vanlig galax av typ-2, såg de plötsligt ett spektrum typiskt för galaxer av typ-1.

Detta kom mycket oväntat. Kunde det vara så att alla galaxkärnor av typ-2 helt enkelt är vanliga kärnor av typ-1 som fördunklats av stoft som ligger i vägen för ljuset? Snart grundades en teori för alla aktiva galaxer, unifikationsteorin, som än i dag tros gälla för aktiva galaxkärnor.

I unifikationsteorins enklaste form är det bara betraktelsevinkeln som skiljer galaxer av typ-1 från typ-2. Teorin utgår från att alla aktiva galaxkärnor har en ansamlingsskiva i mitten, som omges av het gas. Råkar man titta rakt in i ansamlingsskivan eller gasen kring den, kan man se täta gasmoln som snabbt roterar. I praktiken skulle detta se ut som en breddning av vätelinjerna, typiskt för en galax av typ-1. Ser man däremot skivan från sidan så färdas ljuset längre genom tättliggande stoft och sprids på vägen. Då förlorar det energi och får längre våglängd. På det sättet omvandlas kortvågigt ultraviolett ljus från skivan till långvågigt infrarött som ger smala vätelinjer, typiska för galaxer av typ-2. Tittar man rakt in i ansamlingsskivan, ser man alltså en typ-1-kärna med breddning av vätelinjer. Råkar man i stället observera skivan från sidan ser man det spridda ljuset som ger en typ-2-kärna med smala vätelinjer.

Att testa huruvida unifikationsteorin är korrekt eller inte innebär många praktiska svårigheter. För att kunna säga någonting alls om beståndet av aktiva galaxkärnor, måste man arbeta med mängder av objekt och därmed också statistiska studier. Samtidigt är det svårt att hantera de olika tekniska begränsningar som påverkar observationsmöjligheterna för galaxkärnorna av typ-1 och typ-2.

Därför valde vi att i stället för de aktiva galaxerna undersöka omgivande granngalaxer. Idén var mycket enkel: stämmer den enklaste geometriska unifikationsmodellen, där galaxkärnor av typ-1 och typ-2 är samma slags objekt fast sedda ur olika vinklar, så bör dessa galaxkärnor även ha samma slags granngalaxer. För att leta efter de närliggande granngalaxerna använde vi världens största galaxdatabas – Sloan digital sky survey – som förfogar över miljontals spektrum och bilder av galaxer. Resultaten publicerades nyligen i tidskriften Nature Physics.

Vi fann tusentals granngalaxer. Vi studerade dem. Och vår studie visar tydligt att granngalaxerna är helt olika. Grannar till galaxerna av typ-2 har visat sig vara mer stjärnbildande och stoftrika än grannar till galaxerna av typ-1. Många olika tester gjordes för att hitta något slags mätfel, men alla resultat fortsatte ge samma utslag om och om igen. Den enklaste geometriska unifikationsteorin ser ut att vara ofullständig.

Vidare verkar kopplingen mellan närvaron av granngalaxer och formen på själva värdgalaxen, där galaxkärnan observerats skilja sig markant mellan aktiva galaxer av typ-1- och typ-2. Våra resultat tyder på att en galaxkärna av typ-2 kan omvandlas till typ-1 genom att smälta samman med sina granngalaxer och att de två typerna är besläktade genom kollisioner med omgivande galaxer.

Nu måste man fråga sig: kan det fortfarande vara så att källan till aktivitet i båda typer av galaxer är densamma, medan stoftinnehållet styrs av kollisioner mellan galaxerna? I så fall kan unifikationsteorin fortfarande hålla, fast bara till viss del. Det kan helt enkelt vara så att olika fysikaliska processer är verksamma i galaxer av de olika typerna.

Det är inte lätt att förstå aktiva galaxkärnor. Det kan röra sig om många mekanismer. Förutom gravitationen från det allt tyngre supermassiva svarta hålet, bör ansamlingshastigheten hos gasen spela stor roll för hur starkt ljus som skapas. Sedan kan strålningstryck, olika vindar från ansamlingsskivan, jetstrålar och olika slags chocker påverka inte bara själva kärnan, utan även gasfördelningen i galaxen och därmed även stjärnbildningen. Beroende på vilka mekanismer som är viktigast för att först föda och sedan göda en kvasar, kan hela dess liv och utveckling påverkas. Försvinner bränslet, avtar ljusstyrkan.

I dag tror vi att våldsamma kollisioner mellan galaxer möjligen är det viktigaste steget för att bilda den aktiva galaxkärnan, som samtidigt växer till sig genom att kannibalisera på närliggande dvärggalaxer. Studier av sammansmältande galaxpar visar att aktiviteten ökar i just galaxkärnorna. Det är emellertid svårt att verkligen bekräfta den processen – även intensiv stjärnbildning kan ge upphov till effekter som liknar dem vi ser i våra teleskop.

Hypotesen om kollisionerna passar särskilt väl ihop med observationer av det höga antalet kvasarer för mycket länge sedan, då även stjärnbildningen var på topp. Då var vårt expanderande universum mindre i storlek och galaxerna låg närmare varandra, så sannolikheten för kollisioner var mycket högre.

Slutligen är de aktiva galaxerna inte ensamma i rymden. Tillvaron bland andra galaxer kommer att påverka utvecklingen av de aktiva galaxkärnorna – stora galaxhopar som skoningslöst sliter stjärnor och gas ur åtföljande galaxer är ett ständigt hot mot deras tillväxt. I sin tur påverkar även de aktiva galaxerna sin omgivning. Exakt vilken roll de spelar i det kosmiska kretsloppet vet vi inte. Men vi vet att nyckeln till kosmologins mest brännande frågor gömmer sig i fysiken bakom dessa lysande monster.