Image
melkeveien, stjernehimmel,

Melkeveien sett fra Roque de los Muchachos-observatoriet på La Palma, Spania, under en tur med AST2210-kurset for å se på teleskoper. Foto: Jessie Warraich

Hvordan vet vi så mye om galakser?

Astrofysikere snakker om at det finnes over 200 milliarder galakser i universet. Hvordan klarer forskere å si noe om hvor mange stjerner som finnes, og hvor mye gass det er i de enkelte?

Jessie Harvir Kaur Warraich er masterstudent ved Institutt for teoretisk astrofysikk, UiO. Foto: privat.

Artikkelen er skrevet av Jessie Harvir Kaur Warraich.

Jeg heter Jessie og har akkurat skrevet ferdig en master hvor jeg har studert galakseevolusjon.

Galakser er massive systemer av gass, stjerner og mørk materie bundet sammen av tyngdekrefter. Melkeveien er “vår” galakse. For å få en følelse av hvor stor den er, kan vi tenke på at sola er én av 100-400 milliarder stjerner som bor i galaksen. Men Melkeveien er bare én galakse. Astrofysikere snakker om at det finnes over 200 milliarder galakser i universet. Hvordan klarer forskere å si noe om hvor mange stjerner som finnes, og hvor mye gass det er i de enkelte? Og samtidig fortelle noe om hvorfor de ser ut som de gjør?

Universet er ubegripelig stort

Astrofysikere har, naturlig nok, et aldri så lite problem når det gjelder utprøving av teorier. Der andre forskere kan utføre eksperimenter i laboratorier og analysere resultatet de får, er ikke det like lett for astrofysikere. Det er nemlig lite praktisk å sende satellitter ut i verdensrommet til andre galakser. Ta Andromeda-galaksen for eksempel, som “bare” er 2.5 millioner lysår unna. Det betyr at den er like langt unna som lyset bruker 2.5 millioner år på å reise. Og det er en av de nærmeste galaksene til Melkeveien. Vi har ikke sjanse til å sende noe så langt med teknologien vi mennesker har nå.

Utenfor regnbuens farger

Men astrofysikere er smarte folk. Ikke bare har teknologien utviklet av rom-relatert forskning vært grunnen til at vi har kulepenner og kamera i lomma, men de har også funnet teknikker til å bruke lyset vi ser på himmelen for å studere objekter langt unna. Lyset vi ser på himmelen fra stjerner og galakser kommer til oss i flere bølgelengder av det elektromagnetiske spekteret. Noen ganger er spesifikke bølgelengder svakere eller sterkere enn forventet. Disse økningene og reduksjonene, kalt emisjon og absorbsjon, i spesifikke bølgelengder i lyset, kan bli koblet til energi-overganger i forskjellige atomer og molekyler. Dersom vi vet noe om hvordan disse atomene og molekylene oppfører seg på jorden (dette kan bli testet i laboratorier!), kan man si noe om forholdene i det objektet man studerer på himmelen.

Lys tar oss med tilbake i tid

Et annet viktig poeng er at lyset bruker litt tid på å flytte seg gjennom rommet (for eksempel 2.5 millioner år fra Andromeda-galaksen til oss), lyset vi mottar er faktisk sendt ut for lenge siden. Det vil si at lyset vi observerer fra galaksene aller lengst unna oss, faktisk ble sendt ut tidlig i evolusjonen av galaksen, og derfor viser oss hvordan galaksen så ut når den fortsatt var under utvikling. Snur vi på den tanken, betyr det også at romvesener i galakser langt unna tror at jorden fortsatt er bebodd av dinosaurer. 

Siden vi nå begynner å få en idé om hvordan lyset fra fjerne galakser oppfører seg, har forskere utviklet komplekse teleskoper som kan “se” lys i bølgelengder vi mennesker ikke kan. Dette er for å studere blant annet emisjon og absorbsjon i lyset fra fjerne galakser, og bruke dette for å studere hvordan galakser har utviklet seg fra tidenes morgen til hvordan vi ser de i dag.

Simuleringer og observasjoner går hånd i hånd

Vi vet at galakser egentlig er kompliserte greier. Materie blir konstant flyttet på, enten dratt inn mot supermassive sorte hull i sentrum, eller dyttet ut av supernovaeksplosjoner og vinder, eller andre prosesser. Derfor er simuleringer av galakser et annet viktig verktøy som blir brukt av moderne astrofysikere (for eksempel har Lupe jobbet med supercomputere). I simuleringer kan man faktisk få såpass høy oppløsning at man kan studere hvordan materie flytter på seg og stjernedannelse, fra galaksen var født til “den dag i dag”. Med andre ord, simuleringer blir brukt for å studere detaljer i evolusjonen av galakser, som ikke er like lett med observasjoner. 

Vi kan bruke alt vi har lært oss om verdensrommet, som tyngdekraft og mørk materie (sjekk Renate sin blogg om mørk materie).  Vi putter det vi tror er korrekt fysikk inn i en simulering, trykker play, og sjekker om den ferdig utviklede galaksen ser noe ut som det vi faktisk ser der ute i verdensrommetDersom det ser likt ut, betyr det at fysikken vi har brukt stemmer, og vi har en god forståelse av utviklingen av galakser.

Min master om de store spørsmålene

Så hvordan passer en masterstudent som meg inn i disse store spørsmålene som hvordan galakser har utviklet seg? Jeg har brukt ett år på å analysere en slik simulering av en galakse og studert ekte observasjoner av to galakser. Jeg har sett på “barne-bildene” til denne galaksen, og da spesifikt prøvd å gå i dybden på emisjon fra ionisert karbon, C⁺. Ionisert karbon er den vanligste formen for karbon rundt om i galakser, og emisjonen har blitt sporet til galakser som er over 13 milliarder år gamle. Siden karbon og andre tyngre grunnstoffer blir lagd i stjerner, samtidig som strålingen fra stjernene forhindrer binder seg med for eksempel oksygen og danner karbonmonoksid (CO, som er det Marie har studert), kan observasjoner av ionisert karbon si noe om hvor mange stjerner som blir dannet. I tillegg kan man anta at steder man observerer denne emisjonen, har liknende temperaturer, tetthet og metallisitet som vi ser i detaljer fra simuleringer.

Derfor kan man si at observasjoner gjort med teleskoper og simuleringer kjørt på heftige supercomputere går ganske hånd i hånd i moderne astronomi. Simuleringer kan gi detaljer om galakser, basert på det vi tror er riktig fysikk, mens observasjoner har “fasiten” nemlig det man faktisk ser der ute. Kombinerer vi kunnskapen vi får fra disse feltene, gir det oss et bilde av hvordan og hvorfor galakser ser ut som de gjør. Og i bunn og grunn, er det essensen av hvordan moderne astrofysikere studerer verdensrommet.