Astronomi

En liten introduktion för den som undrar vad astronomi är

av Cecilia Albertsson

Denna sida är riktad till dig som vill ha en introduktion i vad astronomi egentligen är, och hur saker i vårt universum förhåller sig och fungerar. Vi börjar med det som är närmast oss, jorden, och går sedan vidare utåt steg för steg för att till sist behandla hela universum.

Jorden

Jorden, även kallad Tellus, är det "lilla" klot vi lever på med en diameter på 13000 km. Det roterar som bekant ett varv kring sin egen axel på 24 timmar, vilket innebär att en punkt på jordytan förflyttar sig med hastigheten 1700 km/h i en bana runt jordaxeln.

Vår planet kretsar kring solen i en nästan cirkulär bana, på ett avstånd av cirka 150 miljoner km (= en astronomisk enhet, 1 AU) och med hastigheten 30 km/s. Banan är svagt elliptisk och det gör att avståndet från solen varierar med ca 3 %. Det är dock inte denna avståndsvariation som har betydelse för årstidsväxlingarna, utan jordaxelns lutning i förhållande till solsystemets plan. Det råkar t.o.m. vara så att jorden befinner sig närmast solen när vi har vinter på norra halvklotet. Jordaxeln lutar 23 grader, så att när det är vinter hos oss i Sverige lutar nordpolen bort ifrån solen och det blir kallare här än på södra halvklotet. Då är det alltså varmare på södra delen och de har sommar där.


Månen

Månen kretsar kring jorden i en ganska oregelbunden bana; ibland står den högt på himlen och ibland lågt. Avståndet mellan jorden och månen varierar, men i medeltal är det ca 380 000 km, och månens diameter är 3500 km. Månen vänder alltid samma sida mot jorden eftersom den genom årmiljarderna saktats in i sin rotation av jordens dragningskraft.

Månen avger ett kraftigt sken som är reflekterat ljus från solen. En klar natt kan man avgöra var ungefär solen befinner sig i förhållande till månen och jorden genom att titta på varifrån månen lyses upp av solen. Vid fullmåne sitter vi mitt emellan solen och månen och vid nymåne är månen nästan mitt emellan oss och solen. Av detta följer också att man bara kan se en nymåne i gryning eller skymning. Om man tittar noga på en nymåne kan man se att även resten av den är mycket svagt upplyst, förutom den skarpa skäran. Det är s.k. "jordsken", ljus från solen som reflekteras av jorden till månen, som sedan reflekterar ljus tillbaka till oss.

Drygt en sjättedel av månens totala yta är täckt av slätter bestående av basalt, som har en mörk färg. De flesta av dessa slätter finns på hitsidan av månen, och det som inte är slätter är högländer av ljus kiselsten.


Solsystemet

Vårt solsystem består av solen, som är en stjärna, nio planeter som kretsar runt den, ett obestämt antal kometer samt asteroidbältet. Planeterna är: Merkurius närmast solen, sedan Venus, jorden, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus och längst ut Pluto. Alla planetbanor är mer eller mindre elliptiska; värst är Plutos bana, som ibland för planeten innanför Neptunus bana (där den befinner sig just nu och fram till år 1999), och den lutar dessutom betänkligt i förhållande till de andra planeternas banor. De relativa planetavstånden framgår på ett ungefär av bilden ovan.

De fyra innersta planeterna är jordlika — relativt små och består till största delen av sten och metall, medan de fyra jätteplaneterna Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus mest består av gas, främst väte och helium. Man vet ännu mycket litet om Plutos sammansättning, men den har många likheter med de yttersta planeternas månar. Alla planeter utom Merkurius och Venus har en eller fler månar. Med ett litet teleskop kan man lätt se Jupiters fyra innersta månar Io, Europa, Callisto och Ganymedes. De kallas de gallileiska månarna.

Man kan med blotta ögat lätt se Venus, Mars, Jupiter och Saturnus, och om man anstränger sig och är ute vid rätt tidpunkt kan man även skönja Merkurius utan kikare. Eftersom Venus är närmare solen än jorden, och alltså inte kan befinna sig på jordens nattsida, kan man bara se den nära gryningen eller skymningen. När t.ex. Venus är "aftonstjärna" ser man hur den går ned under horisonten en liten stund efter solen. Om man nu i fantasin drar en linje mellan Venus och solnedgången, som får representera venusbanans plan, så får man en uppfattning om hur solsystemets plan ligger i förhållande till hur vi står på jordytan.

Solsystemet är ca 4.5 miljarder år gammalt och bildades ursprungligen ur en roterande skiva av gas och stoft. Materian i skivan klumpades ihop till solen i centrum och planeterna runt om. Jorden är alltså också 4.5 miljarder år gammal, i geologisk mening. Man uppskattar att solen kommer att leva i ca 5 miljarder år till och sedan först svälla upp till en röd jätte varefter den dras ihop till en vit dvärg. Det innebär slutet för jorden som planet. Solen har för närvarande en yttemperatur på omkring 6000 grader och en diameter på 1.4 miljoner km.

Halleys komet och asteroiden Ida.

Andra utmärkande företeelser i solsystemet är kometer och asteroidbältet. Kometer rör sig i starkt elliptiska banor runt solen, ibland så pass elliptiska att de inte klarar att hålla sig kvar i sin bana utan slungas iväg ut ur solsystemet för alltid. En komet består mestadels av frusen gas, vattenis och stoft och när den närmar sig solen upphettas isen och gasen så att en lysande aura bildas runt kometen, och stoft och joner blåses iväg i en magnifik svans. Asteroidbältet finns mellan Mars och Jupiters banor och innehåller hundratusentals små kroppar med diametrar varierande från någon kilometer till mer än 900 km.

Emellanåt förekommer meteorskurar. De inträffar då jorden passerar i närheten av en kometbana där kometen lämnat efter sig stoft och små partiklar. Vid inpassagen i atmosfären upphettas partiklarna och lyses upp kraftigt innan de helt disintegreras (s.k. "stjärnfall"). Verkliga meteorer och meteoriter är dock en helt annan typ av objekt. De härstammar från asteroiderna, eller har åtminstone samma ursprung som de, och består av motståndskraftiga material som gör att de kan klara sig ända ned till jordytan, till skillnad från kometpartiklar som är spröda och lätt bränns upp. Meteoritfall inträffar också betydligt mer sällan än meteorskurar.


Vintergatan

Vintergatan är den galax vi befinner oss i, en spiralgalax med en diameter på 100000 ljusår (1 ljusår = 9.46 biljoner km) och en tjocklek på 1000 ljusår. Den har fyra stora spiralarmar i ett plan kring centrum, som är ett utbuktande område med hög koncentration av stjärnor. Bilden visar spiralgalaxen M51, som är ganska lik vår egen galax. Eftersom Vintergatan är formad som en skiva ser vi ett ljust band på himlen där vår sikt skyms av de många stjärnorna i galaxplanet, medan vi i andra riktningar blickar ut mellan ett fåtal stjärnor, ut i det svarta tomrummet utanför galaxen. Man kan inte se Vintergatans centrum från jorden eftersom det är dolt av stora mängder gas och stoft, men man har teorier om att det finns ett svart hål där. Det mesta av gasen i vår galax är väte och helium.


Spiralgalaxen M51

Vår sol befinner sig ca 30 000 ljusår från galaxens centrum, i en mindre "mellanarm" som är en femtedel så lång som en stor spiralarm, och som kallas Orionarmen. Här färdas vi i en cirkulär bana runt galaxcentrum med en hastighet av 220 km/s, d.v.s. ett varv på 200 miljoner år.


Den öppna stjärnhopen M44
Spridda i en sfär omkring de centrala delarna finns klotformiga stjärnhopar som består av talrika mycket gamla stjärnor bildade vid Vintergatans födelse. Genom att studera bl.a. dessa stjärnhopar har man kommit fram till att Vintergatan måste vara minst 13 - 15 miljarder år gammal, d.v.s. ungefär lika gammal som universum självt. Det finns även öppna stjärnhopar, som innehåller mycket färre stjärnor än klotformiga hopar och dessa stjärnor är dessutom unga, "andra generationens stjärnor." Solen är förresten en andra generationens stjärna.

Vintergatan bildades ur ett gigantiskt moln av gas och stoft som roterade och drog ihop sig. Molnet plattades ut till en skiva av rotationen och klumpade sig så att stjärnor kunde bildas. Vintergatans massa uppskattas till omkring hundra miljarder solmassor, grundat på den synbara materian. Men vid studier av rörelser hos materian i vår galax ser man att galaxen måste innehålla mera massa än den vi kan upptäcka med våra instrument. Det måste faktiskt finnas mycket mer materia i Vintergatan; upp till 90 % av materian måste vara så kallad mörk materia. Frågan om vad denna materia kan vara för något sysselsätter idag många forskare.


Galaxhopar

Lokala gruppen

Vintergatan är en av minst 26 medlemmar i en grupp galaxer som sträcker sig över ca 3 miljoner ljusår. Gruppen innehåller tre stora spiralgalxer (Vintergatan, Andromedagalaxen och M33), två elliptiska galaxer och resten mindre dvärggalaxer. Elliptiska galaxer har till skillnad från spiralgalaxer inga explicita strukturer som armar och dylikt, och de är dessutom i regel större och massivare än spiralgalaxer. Vår egen galax rör sig med en hastighet på mellan 100 och 150 km/s i förhållande till den lokala galaxhopens centrum. Hopens massa grundat på den synbara materian uppskattas till omkring 5 biljoner solmassor, men även här gäller att man kommer upp i mycket större massor om man studerar materians rörelser i galaxhopen och alltså måste det finnas massor av mörk materia.

Lokala superhopen

Det finns många smågrupper av galaxer liknande den lokala gruppen spridda omkring oss. Exempel på sådana galaxhopar är Virgohopen, som har tusentals medlemsgalaxer, och Comahopen. De sträcker sig över 5 respektive 10 miljoner ljusår. Om man tittar på ett stort område ser man att vår lilla galaxhop tillsammans med ett stort antal andra hopar utgör en stor superhop. Denna hop kallas den lokala superhopen och sträcker sig över 65 miljoner ljusår. 60 % av galaxerna som ingår i lokala superhopen ligger i en skiva vars diameter är sex gånger så stor som dess tjocklek. Lokala gruppen och Virgohopen ligger båda i detta plan och en tredjedel av alla galaxer i skivan tillhör Virgohopen. Andra superhopar kan vi se härifrån bara för att de är så stora och massiva - de ligger många hundra miljoner ljusår bort. Ju större och massivare superhopar är, desto mer sfäriska är de, och de har hög koncentration i centrum, mestadels av elliptiska galaxer.

Coma_Cluster.gif (21954 bytes)
Galaxhopen Coma

Avståndsbedömning

Avståndsstegen

Ett av de svåraste problemen inom astronomin är hur man ska beräkna avstånd till olika objekt i universum. Det är samtidigt mycket viktigt att man löser detta problem tillfredsställande, eftersom många teorier hänger på att man vet de ungefärliga avstånden till objekt. Man använder sig av en sorts "avståndsstege," i vilken man utgår från avstånden till de närmaste stjärnorna. Dessa avstånd kan mätas ganska noggrant med hjälp av deras parallaxer (man ser hur mycket stjärnan förflyttar sig på himlen relativt bakgrundsstjärnor, då jorden kretsar kring solen). Säkra teorier för närbelägna stjärnor kan så utvecklas och man kan säga vilka luminositeter (hur mycket energi de utstrålar) de har.

Nästa steg är att studera stjärnhopar, framför allt klotformiga sådana eftersom de är stora och luminösa och alltså syns från stora avstånd. Man letar efter stjärnor i hoparna som liknar våra närbelägna stjärnor, och då man känner stjärnornas luminositeter kan man beräkna avstånden till stjärnhoparna eftersom man vet att ljusintensiteten avtar med kvadraten på avståndet. När man bestämt avståndet till en stjärnhop letar man efter andra, mycket starkare stjärnor i hopen, t.ex. cepheider. De stjärnorna är så starka att de syns från andra galaxer och dessutom har de ganska väldefinierade luminositeter, så nu kan man också bestämma avstånden till i alla fall de 30 närmaste galaxerna. På grund av deras funktion som avståndsbestämmare kallas cepheider för standardljus. Andra standardljus är supernovor, som lyser ännu starkare. Med hjälp av den starkaste sortens supernovor, Typ 1a supernovor, kan man bestämma avstånd till galaxer på upp till 650 miljoner ljusår härifrån. Det var alltså det tredje steget i avståndsstegen.

I det fjärde steget bestämmer man avståndet till galaxhopar genom att ta ett medelvärde av t.ex. de fem ljusaste galaxerna i hopen. Denna metod grundar sig på att galaxhopar har en viss "ljuskurva," d.v.s. ett visst antal av medlemsgalaxerna har en viss ljusstyrka. Det ger en ganska osäker bedömning av avståndet, men i brist på bättre metoder är det en relativt god uppskattning.

Detta är Andromedagalaxen, en av våra närmaste galaxer. Med ett bra teleskop kan man lätt urskilja enstaka stjärnor och stjärnansamlingar. Den ligger 2 miljoner ljusår bort och t.ex. cepheider syns bra på det avståndet.

Tre nya metoder

De senaste decennierna har dock tre nya metoder för avståndsbestämning utvecklats, som ger en något bättre uppskattning än de traditionella metoderna som nämnts ovan. Noggrannheten är ungefär 10 %.

Den första metoden använder sig av att förhållandet mellan massa och luminositet är samma för alla spiralgalaxer (ett mystiskt faktum med tanke på att, som nämnts tidigare, bara en bråkdel av materian i en galax utstrålar ljus). Man kan bestämma en galax massa genom att studera den Dopplerförskjutning i spektrum som galaxens rotation ger upphov till. Rotationshastigheten och massan är nämligen intimt förknippade. Om man vet förhållandet mellan massa och luminositet för en närbelägen spiralgalax samt massan för en avlägsen galax, då kan man beräkna luminositeten för den avlägsna galaxen. Och eftersom vi kan se hur starkt den lyser i våra ögon är det en enkel match att beräkna avståndet med vetskap om hur ljuset avtar med avståndet.

Den andra metoden går ut på att studera planetariska nebulosor. Fördelningen av luminositeter för dessa objekt är samma för alla galaxer, så genom att avsätta antalet sådana nebulosor mot luminositet i ett diagram kan man bedöma hur långt bort deras värdgalax befinner sig. Återigen tillämpar man här lagen om ljusets avtagande med kvadraten på avståndet.

Den tredje metoden utnyttjar det faktum att upplösningen i bilder vi tar av astronomiska objekt inte är perfekt. Ju längre bort objektet befinner sig desto luddigare blir detaljer i bilden. I det här fallet studerar man elliptiska galaxer, eftersom de innehåller mycket litet gas och stoft så att man kan vara säker på att luddigheten i bilderna bara beror på det stora avståndet och inte på stoft och sådant. Om en galax ligger nära ser den ganska "bucklig" ut på grund av att stjärnorna i utkanten är relativt väl upplösta. Om galaxen ligger långt bort ser den mera jämn ut i kanten för att enstaka stjärnor flyter in i varandra på bilden. Med kännedom om kvalitén hos instrumentet kan man då avgöra hur långt bort den elliptiska galaxen befinner sig.

Hubbles lag är också ett användbart verktyg. Lagen innebär att en galax avstånd från jorden är direkt proportionell mot dess hastighet bort ifrån oss. Rödförskjutningen i en galax spektrum visar hur fort den färdas och så kan man beräkna dess avstånd med hjälp av proportionalitetskonstanten, Hubbles konstant. Problemet här är bara att man inte vet värdet på denna konstant speciellt noga. Man vet dock att den ligger mellan 69 och 90 km/s per megaparsec (1 parsec = 3.26 ljusår) och nyligen har observationer gjorts av spiralgalaxen M100 i Virgohopen, med Hubble-teleskopet, som bestämmer galaxens avstånd mycket noggrant. Om man matchar detta avstånd mot Hubbles lag får man att Hubbles konstant är 80 km/s per megaparsec.


Universums struktur

När vi ovan talade om massiva galaxhopar är det ett relativt begrepp. I verkligheten består galaxhopar till 95 % av tomrum. Endast 5 % av en galaxhop är alltså synbar materia och en av de stora gåtorna inom kosmologin idag är varför galaxer är så tätt packade medan det mesta av universum är tomt. Universum är alltså homogent bara över mycket stora områden.

Den största observerade strukturen i universum är "The Great Wall." Den är som en gigantisk vägg av galaxer, 500 miljoner ljusår lång, 200 miljoner ljusår bred och 16 miljoner ljusår tjock. Dess totala massa uppskattas till tio gånger så stor som lokala superhopens massa. Vintergatan befinner sig omkring 260 miljoner ljusår ifrån denna struktur. Universum var extremt homogent från skapelsen, Big Bang, till ett par hundra tusen år efteråt. Det är än så länge en gåta för astronomerna hur universum kunde bli så komplext som det är idag.

En annan fråga man brottas med är vilken struktur som är den karakteristiska för universum. Man brukar tala om tre alternativ: schweizisk ost, köttbullar eller tvättsvamp. Med andra ord, består universum av hålrum avdelade av sammanhängande materia, isolerade klumpar av materia eller ett mellanting med tunna trådar av materia och tomrum? Om vi fick reda på det kunde vi förstå bättre hur universum kom till och utvecklades i det tidiga skedet.

Ett annat ämne av intresse är hur stort och gammalt universum är. Universum expanderar med en hastighet nära ljusets. Studier av galaxers spektra visar att ju längre bort galaxer befinner sig desto snabbare avlägsnar de sig från oss (Hubbles lag). Objekt som befinner sig längre bort än en miljard ljusår kan vi i regel inte se. Kvasarer kan vi dock se på ända upp till 13 miljarder ljusårs avstånd (med stora teleskop). Man tror att kvasarer är en sorts aktiva galaxkärnor, förmodligen mycket unga galaxer, och att de har svarta hål som energikällor. Dessa objekt antyder att universum är åtminstone 13 miljarder ljusår i diameter. Om vi antar att det expanderar med ljusets hastighet och alltid har gjort det så är det alltså minst 13 miljarder år gammalt.


Detta är en skiss av strukturen hos den lokala superhopen. De gröna klumparna representerar den synliga materian, d.v.s. galaxer och galaxhopar som vi kan se med teleskop. Vi befinner oss i bildens centrum. Frågan är om universum har en "köttbullsstruktur" eller inte.

Det finns olika sätt att uppskatta universums ålder, bl.a. att studera enstaka stjärnor. Då kan man komma upp i åldrar på 15 miljarder år. Men detta är en tvistefråga mellan olika teoretiker - olika studier ger olika gränser för lägsta respektive högsta möjliga ålder för universum, och allvarliga motsägelser har uppstått. Med det ovan nämnda värdet på Hubbles konstant får vi t.ex. maximalt ett 12 miljarder år gammalt universum medan vi som sagt har 15 miljarder år gamla stjärnor i Vintergatan. Alltså har vi här ytterligare ett kosmologins mysterium.

Tack till Cecilia Albertsson, som läser sista året på Teknisk Fysik vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm och som satt samman denna sida.

ncgohome.gif (835 bytes)