Stjärnor, gas och stoft: Vad är Vintergatan gjord av?

Du som läser detta, likt de resterande 7 miljarder människorna på Jorden, befinner dig just nu i en stor samling av stjärnor, gas, stoft och något nytt som vi inte vet mycket om, men kallar “mörk materia”. Denna samling materia ser vi som ett band som sträcker sig runt en klar natthimmel. Vi kallar denna samling materia för Vintergatan. Hur stor är Vintergatan? Vintergatan är formad som en tunn cylinder uppdelad i spiralarmar. Vintergatans radie är omkring 50 000 ljusår, och den stellära diskens (där de flesta stjärnorna befinner sig) tjocklek 1 000 ljusår. För jämförelse ligger det närmsta stjärnsystemet (stjärnor som kretsar runt varandra — de närmsta stjärnorna befinner sig i ett sådant system), Alpha Centauri, bara synlig som en liten ljus prick från Jorden, över 4 ljusår bort. Vintergatans stora radie och tunna tjocklek förklarar varför vi ser Vintergatan som ett tunt band, och inte något som täcker hela natthimlen.

Även om vi jämför Vintergatans storlek med avståndet mellan oss och Alpha Centauri så är det svårt att greppa dessa enorma avstånd. Allt i vår direkta erfarenhet har handlat om mycket mindre saker. Så tänk om vi ställer följande fråga: Om Vintergatan vore lika stor som Jorden, hur stort skulle då avståndet mellan Solen och Jorden vara? Svaret är att avståndet mellan Solen och Jorden skulle krympa till ynka 2 millimeter.¹ Så att säga att vi, vår planet och våra bekymmer skulle vara “små” i det stora hela är en extrem underdrift.

Stjärnorna uppgör den största delen av den synliga massan i Vintergatan. Omkring hundra miljarder solmassor (Solens massa = 1 solmassa), som motsvarar åtminstone hundra miljarder stjärnor.² Stjärnorna vi kan se på en klar natthimmel utgör dock bara en oerhört liten bråkdel av de hundra(tals) miljarder stjärnor som befinner sig i Vintergatan. Som mest kan vi bara se några tusen av de närmsta stjärnorna. De flesta av dessa stjärnor har världar precis lika verkliga som vår egna, och en betydlig andel,³ om inte en majoritet,⁴ av dessa stjärnor kan hysa världar täckta i hav. Vatten ses som en förutsättning för liv, så kanske Vintergatan myllrar av livsformer. Vem vet? Ingen hittills. Men kanske du och jag kommer veta det inom ett par årtionden eftersom det finns planer att söka efter tecken på liv på andra världar genom att analysera andra planeters atmosfärer. Skulle man hitta en större mängd av en molekyl än väntat, och det visar sig vara en molekyl som vi vet att liv på Jorden kan producera så skulle det vara bevis för liv på en annan värld. Vi skulle isåfall ha svarat ja på en fråga vår art har ställt under årtusenden: Är vi ensamma i Kosmos?

Vintergatan består inte bara av stjärnor, utan också av enorma mängder gas. Gas utgör en extremt viktig del i Vintergatans utveckling eftersom stjärnor bildas i stora gasmoln som oftast sträcker sig flera ljusår. I Vintergatan är gasmassan av storleksordningen en miljard solmassor, varav omkring hälften existerar i enorma gasmoln.⁵ Kalla gasmoln, där vätemolekylerna (H₂) inte rör sig särskilt snabbt, kan inte hålla gasmolnet stabilt. Molnets egna tyngd vill trycka samman gasen till en mer kompakt form. Med för lite energi hos molekylerna för att hålla molnet stabilt så följer därför en kollaps. Gasmolnet kollapsar och fragmenterar under en tid som troligtvis sträcker sig över miljontals år.

Lite rotation hindrar gasmolnet från att kollapsa helt och hållet och bara bilda stjärnor. Istället leder rotationen av gas till gasdiskar runt de unga stjärnorna där planeter sen kan bildas. Eftersom det finns gott om gas och eftersom vi förväntar oss en liten nettorotation hos dessa moln så förväntar vi oss därför att världar existerar runt en betydlig bråkdel av alla stjärnor.⁶ Detta har vi, via detektionen av över 1 000 planeter runt andra stjärnor, bevisat stämma.⁷ Vintergatan är en plats rik på världar.

Vintergatan är också en plats rik på stoft. Den totala massan av stoft i Vintergatan är av storleksordningen hundra miljoner solmassor och existerar i den enorma volym utrymme som finns bland stjärnorna.⁸ Stoftet består i huvudsak av partiklar som är en tiotusendels till en tusendels millimeter stora. Med en massa på hundra miljoner solmassor, och där varje partikel antas ha en radie på en tiotusendels millimeter så förväntar vi oss åtminstone en stoftpartikel per ~ 100 kubikmeter.⁹

Eftersom stoftpartiklars storlek är av ungefär samma storlek som våglängden hos synligt ljus så kan vi fråga oss om inte allt detta stoft kommer hindra ljus från att nå våra teleskop. Svaret är ja, det kommer hindra oss från att se stora delar av Vintergatan (åtminstone i vissa våglängder). Med den mängd stoft i vår galax så förväntar vi oss att nästan allt ljus vi kan se med våra blotta ögon kommer från ett avstånd på mindre än ~ 3000 ljusår.¹⁰ Som jämförelse bor vi på en planet runt en stjärna som befinner sig ~ 27 000 ljusår från Vintergatans centrum (där ett enormt svart hål med en massa på ungefär fyra miljoner solmassor håller hus!).

Anledningen till varför vi inte kan kartlägga galaxers position kring hela himlavalvet är att vi har dessa oerhört små stoftpartiklar som blockerar ljuset från galaxer väldigt, väldigt långt borta. När astrofysiker mäter avståndet till andra stjärnor och galaxer måste de också ta hänsyn till existensen av dessa små stoftpartiklar i det interstellära mediet. Pyttesmå partiklar, tunt utspridda mellan stjärnorna i Vintergatan, påverkar alltså vår kartläggning av Universum på de allra största skalorna. Astrofysiken är därför ett ämne där vi inte bara kan fokusera på det stora. Vi måste också tänka på det lilla för att få en korrekt helhetsbild av Universum — något man kanske inte tänker på liggandes under en klar natthimmel.

——— Källor och notiser ———

1. Om Vintergatan har en radie på $$cong 5times 10^{4}$$ ljusår $$ cong 4.7times 10^{17}$$ kilometer , och Jorden har en radie på ~ 6400 kilometer, så måste vi krympa alla avstånd med en faktor $$frac{6400}{4.7times 10^{17}}cong 1.4times 10^{-14}$$ . Eftersom avståndet mellan Jorden och Solen är $$cong 1.5times 10^{14} $$ millimeter betyder det att avståndet mellan Jorden och Solen skulle vara $$ cong left (1.4times 10^{-14} right ) times left (1.5times 10^{14} right )$$ millimeter $$cong$$ 2.1 millimeter.
2. För en kort och väldigt approximativ tabell om massfördelningen i vår galax, se Jones, M. H. & Lambourne, R. J. A. (2003) An Introduction to Galaxies and Cosmology, Cambridge University Press, s. 57.
3. Se exempelvis Petigura, E. A. et al. (2013) Prevalence of Earth-size planets orbiting Sun-like stars, Proceedings of the National Academy of Sciences, 110, 48, 19273–19278.
4. Se Hansen, B. M. S. (2014) In situ models for planet assembly around cool stars, International Journal of Astrobiology (first view article).
5. Jones, M. H. & Lambourne, R. J. A. (2003) An Introduction to Galaxies and Cosmology, Cambridge University Press, s. 13 & 57.
6. För en bra introduktion, se kapitel 15 (Planet formation) i Lissauer, J. J. & Pater, I. D. (2013) Fundamental Planetary Science: Physics, Chemistry and Habitability, Cambridge University Press.
7. För en ständigt uppdaterad lista av antalet detekterade exoplaneter, samt dess relevanta parametrar, se http://exoplanet.eu/.
8. Se fotnot 2.
9. Låt oss anta att den totala stoftmassan i Vintergatan är $$M_{stoft}sim 10^{8} M_{bigodot }$$ och varje stoftkorn antas vara sfäriskt och ha en massa $$m_{stoft}simfrac{4pi }{3}a^{3}rho_{stoft} $$ där $$asim 0.1mu$$m är radien hos ett typiskt stoftkorn, och $$rho_{stoft}sim 2times 10^{3}textrm{ kg m}^{-3}$$. Antalet stoftkorn i Vintergatan är då $$N_{stoft}=frac{M_{stoft}}{m_{stoft}}sim 2times 10^{55}$$. Ganksa många! Om vi approximerar Vintergatan som en cylinder med en tjocklek (höjd) på $$Hsim 10^{3}$$ ljusår, och en radie $$Rsim 5times 10^{4}$$ ljusår så finns det i snitt $$n_{stoft}=frac{N_{stoft}}{pi R^{2}H}sim 3times 10^{-6}textrm{ m}^{-3}$$. Detta motsvarar en stoftpartikel per ~ 70 kubikmeter. Det riktiga svaret är $$n_{stoft}sim 10^{-6}textrm{ m}^{-3}$$. För en liknande uppskattning från interstellär extinktion, se http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept05/Li/paper.pdf.
10. Ljus (i vissa våglängder) färdas i snitt en sträcka $$frac{1}{n_{stoft}pi a^{2}}sim 3times 10^{3}$$ ljusår.