Den nya Vintergatan

Hitta en mörk plats, långt från stadens ljus. Gå ut en klar natt och titta uppåt. Rakt över himlen sträcker sig ett disigt band, som en vintrig gata eller ett fågelsträck över skyn. Kanske svansen av urmonstret Tiamat, eller gudinnan Heras mjölk, stänkt över natthimlens mörker av den blivande hjälten Herakles medan han var ett dibarn. Ordet galax kommer från det grekiska ordet för mjölk.

Numera har få av oss någon riktig känsla för kontakten mellan himlavalvet och legenderna om hjältar, monster och gudar. Inte heller har vi någon vardaglig relation till det mjölkvita bandet över himlen som de flesta stadsbor inte ens har sett. Däremot har vi fått se många vackra teleskopbilder av spiralformade galaxer. För en nutida människa är det lätt att glömma hur svårt det är att se att vi befinner oss inuti en sorts stjärn-ö, som liknar andra sådana öar i världsalltet. När astronomerna i början av 1900-talet stegvis kunde bekräfta att många av stjärnkatalogernas diffusa nebulosor var system av miljarder stjärnor – galaxer – så revolutionerades bilden av universum.

Att skaffa sig en egen känsla av att befinna sig inne i en galax kan vara extra svårt för oss på norra halvklotet, där vi tittar ut mot spiralens ytterkant. Galaxens mittpunkt finns i Skyttens stjärnbild, som bara delvis går att se från Sverige.

Thomas Bensby är lektor på Institutionen för astronomi och teoretisk fysik vid Lunds universitet. Under tre år arbetade han med teleskopet VLT på observatoriet Paranal i den chilenska Atacamaöknen. Då kunde han bekanta sig med den södra stjärnhimlen.

– Från södra halvklotet får man en helt annan bild. Man kan se in mot Vintergatans centrum.

Här på norra halvklotet har han däremot sällan tillfälle att se Vintergatan – och det finns andra galaxforskare som aldrig någonsin har sett vår galax med blotta ögat.

Vintergatan är en relativt ordinär spiralgalax. De flesta stjärnorna är fördelade i en skiva som har en förtjockning kring den centrala delen. Den kallas bulan, eller bulben. I mitten finns ett enormt svart hål. Alltihop är inbäddat i en sfärisk halo som består av glest spridda stjärnor och stjärnhopar och okänd mörk materia.

De här stora dragen i beskrivningen av Vintergatan har varit desamma i minst fyrtio år, så det är lätt att få uppfattningen att kunskapen om galaxen är solid och inte förändras så mycket. Men för astronomerna som ser till detaljerna är det helt annorlunda.

– Vår bild av galaxen har ändrats rätt radikalt de senaste tio åren, säger Thomas Bensby.

Forskarna håller gradvis på att omvandla den grova skissen av Vintergatans uppbyggnad till en högupplöst karta. Tidigare okända strukturer börjar urskiljas. När Thomas Bensby berättar om Vintergatan blir det också tydligt att forskarna får tillgång till nya verktyg som ger helt nya möjligheter att studera galaxen. Stora kartläggningsprojekt bidrar till den allt finkornigare bilden av Vintergatans geografi, och av dess historia.

– Det vi gör nu är galaktisk arkeologi. Vi kartlägger den kemiska sammansättningen av hundratusentals eller miljontals stjärnor för att spåra galaxens utveckling, säger Thomas Bensby.

Om ljuset från en stjärna kan delas upp i sina olika våglängder till ett spektrum, så framträder ett unikt fingeravtryck av de grundämnen som finns i stjärnan. Den kemiska sammansättningen kommer från det gasmoln som stjärnan en gång bildades ur. Detta var i sin tur resultatet av tidigare generationer stjärnor, vars inre kärnprocesser skapade allt tyngre grundämnen ur den ursprungliga blandningen av väte och helium. När stjärnor brinner ut och exploderar berikar de omgivningen med nytt byggmaterial till nästa generation stjärnor. Vissa områden har genomgått en mycket intensiv utveckling, i andra har det varit lite lugnare – och det går att utläsa ur stjärnornas kemi. Genom att mäta stjärnornas temperatur och ljusstyrka kan astronomerna i vissa fall också uppskatta deras ålder.

I slutet av 1990-talet började observationer tyda på att Vintergatan inte bara består av en enda skiva, utan är uppbyggd av två fördelningar av stjärnor. Forskarna talade om två galaxskivor, inflätade i varandra – den tjocka och den tunna disken.

– Den här bilden bekräftas nu av allt fler studier, säger Thomas Bensby.

Den tjocka disken består huvudsakligen av äldre stjärnor, som rör sig på ett mer utspritt sätt än stjärnorna i den tunna disken. Thomas Bensby har i sin egen forskning sett att stjärnorna som hör till den tjocka disken har en annan kemisk sammansättning än stjärnorna i den tunna disken. Diskarna tycks alltså ha olika ursprung.

Under de senaste drygt tio åren har vi också fått lära oss att Vintergatan, precis som många andra spiralgalaxer, har en stav genom spiralens mitt – bulan i galaxens centrum är avlång och utsträckt. Detta går att avgöra genom att se på hur stjärnorna rör sig, men också därför att den ena sidan av Vintergatans centrum ser tjockare ut.

– Det är för att vi ser den i perspektiv, där ena sidan är vinklad mot oss, förklarar Thomas Bensby. Och den är formad ungefär som en oskalad jordnöt.

Stjärnorna rör sig uppåt och nedåt från galaxens plan när de är i ändarna av staven, och därför blir den tjockare mot ändarna än på mitten.

Thomas Bensby har själv intresserat sig för stjärnorna i den här inre delen av galaxen. Tidigare trodde man att bulan enbart bestod av äldre stjärnor, men den bilden håller på att ändras.

– Under de senaste åren har vi studerat den kemiska sammansättningen av stjärnorna där. Denna visar att det är en spridning i åldrar.

Studien var ett avancerat samarbete. De flesta noggranna studier av stjärnspektra görs i solens närmaste omgivning. Här är stjärnorna tillräckligt nära för att det ska gå att samla in nog med ljus för att få ett bra fingeravtryck av stjärnans innehåll. Galaxens centrala delar befinner sig mycket längre bort, och det är svårt att få tillräckligt mycket ljus från de stjärnor som finns där.

För att komma runt detta problem utnyttjade Thomas Bensby och hans kolleger fenomenet att massa böjer ljus. Det innebär att ansamlingar av massa kan ge upphov till en sorts naturliga teleskoplinser i rymden. På enorma avstånd, långt bortom Vintergatan, kan gravitationen från galaxhopar förstärka ljuset från ännu mer avlägsna galaxer, så att de kan studeras. Och inne i vår egen galax kan ett kompakt objekt fungera som en liten gravitationslins, som fokuserar och förstärker ljuset från en bakomliggande stjärna. Astronomerna kallar det här mer närliggande fenomenet för mikrolinsning.

En sådan mikrolins kan skapas av ett svart hål eller en ljussvag liten stjärna som inte går att urskilja på teleskopbilderna, men som kan förstärka ljuset från en bakomliggande stjärna så mycket som flera hundra gånger.

Problemet är att mikrolinserna inte går att beställa. De finns där de råkar finnas. Det gäller i stället att snabbt upptäcka att en stjärna hamnar bakom en sådan mikrolins och rikta instrumenten dit under den tid då förstärkningen är som störst.

Det forskarlag som Thomas Bensby ingår i har lyckats göra detta med nästan hundra stjärnor i galaxbulan. Det är tillräckligt många för att forskarna ska kunna avgöra att den tidigare uppfattningen om bulans historia och sammansättning inte stämmer. Även om de riktigt unga stjärnorna saknas finns det en mycket större spridning i åldrar än förväntat. Thomas Bensby förklarar att det kan bero på att bulan kanske inte är en egen struktur med en egen historia, utan helt enkelt den plats där Vintergatans olika delar överlappar varandra som mest.

Vintergatan är den enda galax där det går att detaljstudera individuella stjärnor. Sådana studier ger mycket information om den lokala utvecklingen. Även den glesa halon, som galaxens skiva är inbäddad i, avslöjar detaljer som tidigare var okända.

– Det finns spår av dvärggalaxer som har kolliderat med Vintergatan, berättar Thomas Bensby.

Den yttre delen av halon tycks bestå av stjärnor från sådana assimilerade dvärggalaxer, medan den inre delen domineras av stjärnor som fötts här i Vintergatan.

Detaljerade observationer av Vintergatans närmare delar jämförs med de stora dragen som astronomerna får genom att titta på andra galaxer. Att få en riktig överblick över strukturen i vår hemgalax är nämligen fortfarande svårt för oss som bor inne i skivan.

En av svårigheterna är att gas och stoft absorberar synligt ljus och skymmer sikten. För att se igenom dammet krävs teleskop som fångar upp infraröd strålning eller radiostrålning. Då går det att bland annat urskilja molekylmoln som anhopas i spiralarmarna.

Man mäter avståndet genom att ta ut riktningen till samma objekt flera gånger, när jorden befinner sig på motsatta sidor om solen i sin bana. När astronomer på jorden betraktar en stjärna eller ett molekylmoln ur olika vinklar, skiftar objektet plats en aning i förhållande till den riktigt avlägsna bakgrunden. Fenomenet kallas för parallax, och avslöjar hur långt bort objektet befinner sig. För varje ny sådan mätning som görs framstår spiralarmarnas form och utsträckning allt tydligare.

Vintergatan har inte bara två, utan fyra större armar. Mellan dem finns några mindre. Vårt solsystem befinner sig ungefär halvvägs mellan galaxskivans mittpunkt och dess ytterkant, i en lite mindre spiralarm inkilad mellan två större. Armarnas namn är fortfarande inte helt etablerade, och de olika delarna är kartlagda i mycket varierande utsträckning.

Särskilt svårt är det att urskilja något på den bortre sidan av galaxens centrum. En ovanlig mätpunkt rapporterades av ett tysk–amerikanskt forskarlag under hösten 2017. I sin kartläggning av molekylmoln lyckades de mäta upp avståndet till ett moln som befinner sig 66 000 ljusår bort, på motsatt sida om galaxens mitt. Det avslöjar var den skymda fortsättningen av en av de stora spiralarmarna breder ut sig – den arm som är uppkallad efter stjärnbilderna Skölden och Kentauren (se grafik).

Men att veta var spiralarmarna befinner sig ger inte svar på hur stjärnorna rör sig i galaxen. Det är långt ifrån säkert att de har bildats där de nu befinner sig.

– Vi har någonting som heter radiell migration av stjärnor. Det komplicerar livet för oss astronomer, för det innebär att stjärnor kan flytta på sig utan att lämna några spår, säger Thomas Bensby.

Stjärnorna kretsar kring galaxens centrum, i banor som vanligtvis är nära nog cirkulära. Spiralarmarna kan liknas vid storskaliga trafikstockningar där materia ansamlas och stjärnor föds. Men trafikstockningarna rör sig som vågor genom stjärnor och gas, och kretsar alltså inte i samma takt som materian i galaxens skiva. Det betyder att stjärnorna inte tillbringar sina liv i en och samma spiralarm. När en stjärna kommer in i en ny spiralarm störs banan och kan bli större eller mindre.

Vår egen sol kan vara en av de stjärnor som flyttat på sig på det här sättet. En sak som tyder på det är att solen har en annan kemisk sammansättning än astronomerna skulle ha väntat sig på vårt avstånd från galaxens centrum. Man har gjort ett antal olika försök att med simuleringar och statistiska beräkningar lista ut var solen kan ha bildats, men modellerna innehåller än så länge stora osäkerheter. Solen kan ha migrerat från en plats närmare galaxens centrum, eller en plats längre ut i galaxskivan. Med hjälp av framtida data från stora observationsprogram skulle de här beräkningarna kunna bli bättre, och det finns hopp om att kunna spåra solens syskonstjärnor, som bildades tillsammans ur samma molekylmoln för 4,6 miljarder år sedan.

Det största av alla program för att mäta upp galaxen heter Gaia. Gaiasatelliten följer jorden i banan kring solen och mäter kontinuerligt stjärnor över hela himlavalvet. Målet är att få noggranna mätningar av ljusstyrka, avstånd och rörelser hos 1,1 miljarder stjärnor. Det är en oerhörd mängd, men ändå bara cirka 1 procent av alla stjärnor som finns i galaxen. Gaia kan inte se genom damm och stoft, men de stjärnor den kan mäta kommer att ge astronomerna material att arbeta med under många år framöver.

Mätningarna måste kalibreras och sorteras innan de kan användas, och därför görs de tillgängliga i omgångar. Först 2022 kommer samtliga mätningar att finnas tillgängliga. Men redan i april släpps en omgång data som är mycket efterlängtad bland astronomerna, enligt Thomas Bensby:

– Många hoppas att det blir som att ta på sig ett par glasögon, att äntligen kunna se klart!

Flera av Vintergatans gåtor kommer sannolikt att kunna lösas med hjälp av Gaias mätningar. Men andra hemligheter håller galaxen hårdare på. Förmodligen väntar också överraskningar, i det myller av stjärnor som utgör det mjölkvita bandet över natthimlen.