Galaksit

Tähtienvälinen aine ja tähdet eivät suinkaan ole avaruudessa kaikkialle tasaisesti jakautuneina, vaan ne muodostavat suuria Linnunradan kaltaisia kokonaisuuksia joita kutsutaan galakseiksi. Ne ovat maailmankaikkeuden suurimpia rakennuspalikoita. Galaksit ovat rakentuneet vaihtelevasta määrästä tähtiä ja tähtienvälistä ainetta.

Kääpiögalakseissa on vain noin miljoona tähteä kun taas suurimmissa jättiläisgalakseissa voi olla jopa biljoonia tähtiä. Esimerkiksi oma galaksimme (jossa Aurinko ja noin 200 miljardia muuta tähteä sijaitsee) on ihan tavallinen keskikokoinen spiraaligalaksi ja sitä kutsutaan Linnunradaksi (The Milky Way). Harvinaisimpiin galaksityyppeihin kuuluvat ns. rengasgalaksit, jotka ovat menettäneet keskustansa toisen galaksin purjehtiessa sen läpi. Galaksit pysyvät koossa tähtien välillä vallitsevan painovoimavaikutuksen ansiosta.

Aivan viime vuosiin asti on ollut epäselvää, ovatko ensin syntyneet galaksijoukkojen kokoiset ainekasaumat, joista on sitten muodostunut galakseja - vai olivatko ensin galaksit, jotka ovat myöhemmin kerääntyneet joukoiksi.

Muutama vuosi sitten röntgentekokuu Rosatin mittaukset paljastivat galaksijoukkojen ympäriltä kuumaa kaasua, joka on peräisin supernovaräjähdyksistä. Tutkimusten mukaan kaasun jakautuma voi olla havaitun kaltainen ainoastaan siinä tapauksessa, että kaasu on syntynyt yksittäisissä galakseissa ennen kuin ne kerääntyivät joukoiksi.

Galaksien luokittelu

Vuonna 1926 tähtitieteilijä Edwin Hubble julkaisi luokittelun, jonka mukaan galaksit jaetaan niiden ulkonäön ja fysikaalisten ominaisuuksien perusteella useisiin eri luokkiin: Ellipsigalakseihin, spiraaligalakseihin ja linssimäisiin galakseihin (alla olevassa kaaviossa S0-tyyppi). Spiraaligalaksit jaetaan lisäksi normaaleihin ja sauvaspiraaleihin galakseihin. Näiden lisäksi on vielä galakseja, jotka eivät kuulu mihinkään em. luokista; ne kuuluvat epäsäännöllisten galaksien ryhmään (Ir), eräs esimerkki epäsäännöllisestä galaksista on Ison Karhun tähdistössä sijaitseva M82.

Ellipsigalaksit

Ellipsigalaksit ovat spiraaligalakseihin verrattuna hyvin yksinkertaisia. Ne näkyvät taivaalla elliptisinä tähtitiivistyminä, joissa pintakirkkaus pienenee tasaisesti ulospäin mentäessä (sitä mukaa kun tähtien määrä pienenee reunoja kohti).

Ellipsigalaksit muodostuvat ainoastaan tähdistä, pölyä ja kaasua niissä ei juuri ole. Se onkin ellipsigalaksien suurin arvoitus; galaksin on täytynyt syntyä kaasusta, mutta jonkin voiman on täytynyt pyyhkiä ylimääräiset kaasunrippeet pois. Samoin räjähtäneiden tähtien jäännösten on täytynyt hävitä jotenkin. Eräänä selityksenä on ollut, että galaksin keskustassa olisi tapahtunut voimakkaita räjähdyksiä, joista johtunut voimakas säteily olisi pyyhkinyt kaasun ja pölyn pois.

Ominaista ellipsigalakseille on, että niiden tähdet eivät juuri kuskaan törmää toisiinsa (jokainen tähti kiertää omaa rataansa paikallansa, mihin on joskus galaksin synnyssä asettunut.) Radat ovat ellipsin muotoisia käyriä, jotka risteilevät sikin sokin ympäri galaksia.

Ellipsigalaksit jaetaan alaluokkiin niiden lytistyneisyyden (kuinka litteitä ne ovat) mukaan. Ellipsigalaksit eroavat toisistaan vain muotonsa puolesta ja niille käytetään merkintöjä E0, E1,…, E7.

Linssimäiset galaksit

Eli S0-galaksit asettuvat Hubblen sarjassa ellipsi- ja spiraaligalaksien väliin. E-galaksien tapaan niissä on vain vähän tähtienvälistä ainetta eikä ollenkaan näkyvää spiraalirakennetta. Niissä on kuitenkin tavallisen elliptisen valonjakautuman lisäksi myös tähdistä koostuva litteä kiekko. Tässä suhteessa ne ovat spiraaligalaksien tapaisia.

Spiraaligalaksit

Spiraaligalakseille on ominaista niiden kierteishaara- eli spiraalirakenne. Niissä on keskuspullistuma, jonka rakenne on E-galaksin näköinen ja tähtikiekko kuten S0-galakseissa. Spiraaligalaksit jaetaan kahteen sarjaan: normaalit Sa-Sb-Sc ja sauvaspiraalit SBa-SBb-SBc. Sauvaspiraalit eroavat normaaleista siten, että niissä spiraalihaarat päättyvät keskellä olevaan suoraan sauvaan (jota voi kiertää rengas), kun ne normaaleissa S-galakseissa jatkuvat keskukseen saakka.

Aktiiviset galaksit

Kaikki taivaalla olevat galaksit eivät ole yhtä rauhallisia. Aktiiviset galaksit eroavat tavallisista galakseista siinä, että ne voivat säteillä huomattavasti enemmän energiaa avaruuteen, syytää avaruuteen nopeita hiukkasvirtauksia tai näyttää muilla on aallonpituusalueilla aivan toisenlaisilta kuin normaalit galaksit.

Galaksijoukko Abell 2218 Hubble avaruusteleskoopin kuvaamana. Kuvassa näkyvät venyneet galaksit ja viirut johtuvat ns. gravitaatiolinssistä.

Galaksijoukon painovoima aiheuttaa sen, että joukon takaosassa sijaitsevien galaksien valo taipuu matkalla. Gravitaatio-linssejä voidaan usein käyttää myös hyväksi pyrittäessä havaitsemaan kaukaisia, mutta äärimmäisen himmeitä kohteita. Image gredits: NASA/STScI

Poikkeuksellisia galakseja kutsutaan aktiivisiksi galakseiksi. Avaruuteen katsomalla voimme seurata galaksien historiaa taaksepäin. Havainnot kertovat selvästi, että galaksien aktiivisuus kasvaa, kun palataan menneisyyteen. Ilmeisesti galaksit olivat syntynsä jälkeen paljon aktiivisempia kuin nykyään, mutta vanhemmiten ne ovat lähes kaikki rauhoittuneet.

Kvasaarit

Voimakkaimpia aktiivisia galakseja ovat kvasaarit, jotka näkyvät suurimmillakin teleskoopeilla pistemäisiltä valonlähteiltä. Nimitys on tullut englanninkielisestä sanasta quasistellar - kvasistellaarinen, joka tarkoittaa valetähtimäistä kohdetta. Tämä nimitys juontaa juurensa siitä, että aluksi niitä luultiin oudoiksi tähdiksi kunnes amerikkalainen tähtitieteilijä Maarten Schmidt vuonna 1963 keksi ratkaisun niiden lähettämän valon outoihin spektriviivoihin. Tämän jälkeen ne voitiin tunnistaa meistä huimaa vauhtia etääntyviksi galakseiksi.

Kirkkaimmat kvasaarit lähettävät ulospäin energiaa yhtä paljon kuin tuhat tavallista galaksia, mutta kuitenkin energiaa tuottava alue näyttää olevan tavattoman pieni, sillä säteilyä tulee tuskin aurinkokuntaa suuremmalta alueelta galaksin keskustasta. Osa kvasaareista säteilee vain näkyvää valoa, osa taas nähdään myös radioaallon pituuksilla.

On oletettu, että kvasaarien voimanlähteenä saattaisi olla tiiviiksi luhistunut, nopeasti pyörivä ja erittäin magneettinen tähti, jota kutsutaan spinaariksi (jotka ovat todennäköisesti mustien aukkojen esiasteita).

Blazaarit puolestaan ovat kvasaarien alaluokka, aktiivisia galaksien ytimiä, joissa on selviä valonvaihteluita. Valonvaihteluiden arvellaan liittyvän galaksin ytimessä olevan supermassiivisen mustan aukon materiasuihkuun.

Radiogalaksit

Radiogalaksit näyttävät näkyvän valon aallonpituudella ainoastaan kaukaisilta, tavallisilta ellipsigalakseilta. Mutta radiohavainnoissa nähdään kaksi valtavaa siipeä galaksin molemmin puolin. Siipien säteily on elektronien synkrotronisäteilyä, joten niissä on oltava voimakkaita magneettikenttiä sekä ultrarelativistisia elektroneja sisältävää plasmaa. Meitä lähinnä oleva radiogalaksi on Centaurus A.

Seyfertin galaksit

Seyfertin galaksit ovat kaukaisia kierregalakseja, joiden ytimet loistavat paljon kirkkaampina, kuin tavallisten ei-aktiivisten galaksien ytimet. Niiden keskustassa on näin ollen myös jokin energianlähde, joka mahdollistaa valtavien säteilyenergian määrien tuoton. Hyvä esimerkki on M77, jonka ydin näkyy kaukoputkella selvästi kirkkaana 'pisteenä' galaksin keskustassa.

Merkkejä galaksien törmäyksistä

Tähtitieteilijöiden tiedossa on jo pitkään ollut, että galaksit voivat kasvaa suuremmiksi liittämällä itseensä pienempiä galakseja ympäristöstään. Näin ovat tehneet myös paikallisen galaksinjoukon suurimmat galaksit, Linnunrata ja Andromedan galaksi, jotka ovat "nielaisseet" pienempiä galakseja ympäriltään. Yhteensulautumisesta jää jälkiä, joiden perusteella voidaan päätellä mitä menneisyydessä on tapahtunut galaksin ympärillä.

Oikealla NGC4622 Hubble avaruusteleskoopin kuvaamana. Tuoreet havainnot, joita on saatu yhdistämällä maanpäällistä spektrografiaa ja Hubblen teräviä kuvia, osoittavat galaksin pyörivän vastapäivään ja sen spiraali-haarojen avautuvan pyörimis-suuntaan. On olemassa merkkejä, joiden mukaan tämä erikoinen pyörimissuunta johtuisi muinoin tapahtuneesta törmäyksestä pienemmän seuralaisgalaksin kanssa. Image: STScI/NASA

Andromedan galaksia ja sen ympäristöä on tutkinut astronomi Rodrigo Ibata Starbourgin observatoriosta (Ranska). Ibata on löytänyt Andromedan ympäriltä jäännöksiä pienistä kääpiögalakseista jotka ovat liittyneet Andromedaan viimeisten kymmenien miljoonien vuosien aikana. Andromedan halosta on myöskin löytynyt tähtien muodostamia nauhamuodostelmia, jotka syntyivät liittyneen galaksin tähdistä.

Koska galaksien halot edustavat vanhimpia tähtiä, sieltä ei normaalisti pitäisi löytyä metalleja (heliumia raskaampia alkuaineita) kovinkaan runsaasti. Kuitenkin Andromedan halossa on osa tähdistä runsasmetallisia, mikä kertoo kääpiögalaksin sulautumisesta isompaan sisareensa.

Melko äskettäin tehdyissä tutkimuksissa myös Linnunradasta on löytynyt vastaavia jäänteitä Jousimiehen tähtikuviosta. Löydön on tehnyt Amina Helmi (Max Plank Institute, Saksa) tutkimusryhmineen.

Galaksien törmäyksissä syntyy tähtiä

Illinoisin yliopiston tähtitieteilijät ovat tutkineet tietokonemallilla kahden galaksin törmäystä. Toinen galakseista sisälsi runsaasti pölyä ja kaasua ja toinen oli elliptinen galaksi, joissa pölyä ja kaasua ei ole. Simulaatio osoitti, että törmäyksen tuloksena syntyy runsaasti uusia tähtiä, mutta tapahtumaketju on hyvin monimutkainen. Tähtiä näyttäisi syntyvän ainakin kolmena aaltona, minkä myös galakseista tehdyt havainnot vahvistavat.

Galaksien välisessä törmäyksessä aiheutuu shokkiaalto, joka etenee galaksissa samaan tapaan kuin lampeen heitetyn kiven aiheuttama aaltoilu. Simulaatio osoittaa kuitenkin, että eteneminen ei ole tasaista, vaan siinä esiintyy kausittaista vaihtelua.

Verrattaessa simulaatiomallin mukaista galaksien yhteentörmäystä luonnossa useilla eri aallonpituuksilla, voitiin osoittaa mallin vastaavan hyvin todellisuutta. Esimerkiksi kohde, joka tunnetaan nimellä Arp 119, on tällainen kahden galaksin yhteentörmäys. Infrapuna-alueella tehdyt havainnot osoittavat vanhemman tähtipopulaation kohteet, jotka edustavat galakseja sellaisena kuin ne olivat ennen törmäystä. Radiotaajuudet puolestaan osoittava ne alueet joissa tapahtui tähtien muodostumista heti törmäyksen alettua, ja vedyn alfasäteily osoittaa alueen jolla tähtiä on syntynyt viimeksi ja syntyy edelleenkin.

Arp 119 galaksien yhteentörmäys alkoi noin sata miljoonaa vuotta sitten, jolloin syntyivät ensimmäisen aallon tähdet. Toinen aalto tähtien synnyssä esiintyi 22 miljoonaa vuotta myöhemmin ja kolmas aalto on edelleen käynnissä.

Galaksien väri kertoo tähtien synnystä

Galaksien yleisväri kertoo paljon galakseissa tapahtuvasta toiminnasta. Sinertävä väri kertoo, että galaksissa on runsaasti tähtijoukkoja, joissa syntyy paljon uusia tähtiä. Kun tähtijoukot vanhenevat, niiden väri muuttuu punaisemmaksi. Tämä johtuu siitä, että massiiviset, kuumat ja siten sinertävät tähdet kuluttavat vetyvarastonsa nopeasti loppuun ja räjähtävät supernovina. Pienemmät tähdet ovat viileämpiä ja kehittyvät paljon hitaammin ja ne ovat väriltään punaisempia. Punaisten tähtien jäädessä jäljelle, myös tähtijoukkojen väri punertuu kertoen ikääntyneestä joukosta.

Taivaankappaleet