AKTIVITET PÅ FLERE NIVEAUER - Horsens HF og VUC

uv.vuchorsens.dk

AKTIVITET PÅ FLERE NIVEAUER - Horsens HF og VUC

Varm, tæt gas

Varm, tynd gas

Kold, tynd

gas

Strålingskilde

A K T I V I T E T P Å

Af Jan Teuber

Illustration: TBP / Teis Caspersen

34

F L E R E N I V E A U E R

aktuel ASTRONOMI – SOMMER NR. 3/04

Foto: ESO

Kvasarerne fylder 40 år. Det fejres med fornyet aktivitet for at få

fastslået deres sande natur. Spørgsmålet er tilsyneladende ikke,

om deres kolossale energiproduktion skyldes gigantiske sorte

huller eller voldsomme stjernefødsler (starbursts), men snarere

om begge fænomener er påkrævet.

Kontinuert spektrum – lys med alle bølgelængder

Emissionsspektrum – lys med bestemte bølgelængder

Absorptionsspektrum – lyset absorberes ved de samme bølgelængder

I år er det 40 år siden, at betegnelsen ”kvasar”

først så dagens lys. Selv om der var en del

modstand mod dette navn til at begynde med,

er det efterhånden blevet folkeeje og har fået

fodfæste langt ud over astronomernes snævre

kreds – selv om kun de færreste ved, hvad det

egentlig dækker.

Kvasarer er ultralysstærke, punktagtige lyskilder

i milliarder af lysårs afstande fra os,

og de formodes at være ekstreme manifestationer

af det fænomen, der kaldes aktive galaksekerner.

En aktiv galaksekerne (eller AGN

efter det engelske Active Galactic Nucleus) får

efter alt at dømme sin energi fra et kæmpemæssigt

sort hul i modergalaksens centrum.

For blot en snes år siden var denne forklaring

alt andet end oplagt. Mange eksperter

mente, at det koncentrerede kvasarlys i virkeligheden

stammede fra et stort antal lysstærke

stjerner og supernovaer, som måske endda

ligefrem antændte hinanden i en slags kædereaktion.

Denne forestilling blev opgivet, men

er inden for det seneste års tid kommet til ære

og værdighed igen i den forstand, at de to i

øvrigt meget forskellige astrofysiske fænomener

synes at stortrives i hinandens nærhed.

Kvasarspektrum

Af og til støder man inden for astronomien

på kendsgerninger, der på den ene side er

umulige at komme uden om, men som på

den anden side er i åbenlys modstrid med al

sund fornuft eller alle dagens accepterede

teorier. Man kan naturligvis altid klare sig ved


KVA S A R

Radiokilden Centaurus A

og dens optiske værtsgalakse

med katalognavnet

NGC 5128 er

med en afstand på små

20 millioner lysår den

nærmeste aktive galak-

se, vi kender til.

at tie uoverensstemmelsen ihjel. Og det er

netop denne skæbne – hvis De vil undskylde

min noget ubarmhjertige dom over det astronomiske

samfund gennem de seneste mange

år – der er blevet kvasarerne eller rettere hosstående

diagrammer til del.

Hvis vi i første omgang retter opmærksomheden

mod det øverste af dem, er der tale om

en grafisk repræsentation af spektret for et

bestemt himmellegeme, nemlig en kvasar

med den anonyme katalogbetegnelse PC

1247+3406. Denne kvasar er dog ikke et

hvilket som helst objekt. Den var i sin tid, for

en halv snes år siden og nogle år frem, indehaver

af afstandsrekorden blandt samtlige

himmellegemer og dermed også det yngste

kendte objekt, eftersom det med sin formodede

afstand på ca. 13 milliarder lysår udsendte

sit lys ”kun” 500 millioner år efter Big

Bang (som i dag dateres til at have fundet

sted for 13,5 milliarder år siden).

Et spektrum som det viste er en fremstilling

af, hvordan energien i det pågældende

objekts udstråling er fordelt på de forskellige

bølgelængder, dvs. farver, hvis det drejer sig

om synligt lys. Kvasarens store afstand kan

man udlede af, hvor spektrets toppe er placeret.

Disse toppe kaldes også spektrallinjer,

og hver eneste af dem udgør en entydig signatur

for tilstedeværelsen af et ganske bestemt

grundstof i eller omkring kvasaren, og som

det er angivet på figuren, byder den på både

magnesium, kalcium og jern.

1. Absorptions- og emissionsspektre, se figur side 34

Når vi modtager strålingen fra et lysende objekt i universet, giver lysets spektrum – dvs.

dets energifordeling på de forskellige bølgelængder – os enestående detaljerede oplysninger

om det stof, der udsender lyset. Faktisk bliver vi i stand til at identificere stort set

alle de grundstoffer og kemiske forbindelser, som det består af. Hemmeligheden er, at de

pågældende bestanddele udsender hver deres karakteristiske ”fingeraftryk” i form af et

system af såkaldte spektrallinjer, dvs. meget snævre områder af spektret, hvor energien

adskiller sig drastisk fra naboområderne.

Astronomerne får en yderligere oplysning derved, at der kan være tale om enten absorptions-

eller emissionslinjer, idet energien i linjerne kan være henholdsvis lavere og højere

end i omgivelserne. Stjernespektre består næsten udelukkende af absorptionslinjer og

kaldes derfor absorptionsspektre, mens de aktive galaksekerner har emissionsspektre.

Forskellene er et udtryk for de forhold, der betinger lysudsendelsen. Hvor et uigennemsigtigt,

varmt legeme udsender et linjefrit – såkaldt kontinuert – spektrum, vil dets lys ved

passage gennem en fortyndet og koldere gas give anledning til et absorptionsspektrum,

slet og ret fordi gassens bestanddele absorberer lyset ved præcis de karakteristiske bølgelængder

og ikke andre. Det er netop situationen svarende til en stjerne: Lyset fra det varme

indre passerer ud gennem den køligere atmosfæres gas, hvor det til dels absorberes. Hvis

gassen derimod selv er varm, vil den kun udsende lys ved disse bestemte bølgelængder.

Rødforskydning

Det ejendommelige ved kvasarspektret er, at

ingen af spektrallinjerne ligger ved de bølgelængder,

hvor man kender dem ud fra målinger

i jordiske laboratorier. Når man alligevel

kan genkende dem, er årsagen den, at de alle

er multipliceret med samme faktor, nemlig 5,9

– i forhold til deres forventede bølgelængder.

Spektret er dermed også så at sige blevet 5,9

gange så bredt. Den ultraviolette linje af grundstoffet

brint ligger eksempelvis normalt ved

en bølgelængde på 121,6 nanometer – men i

kvasarspektret findes den ved 5,9x121,6 =

717 nanometer, dvs. i det røde område. Alle

de andre bølgelængder er undergået en tilsvarende

forøgelse.

Man opsummerer den fælles ændring for

alle spektrallinjerne ved at sige, at kvasarlyset

har en rødforskydning på 4,9. (En rødforskydning

på nul skal vedtægtsmæssigt

svare til et uændret spektrum, dvs. en faktor

på 1). Astronomerne opfatter rødforskydningen

som et udtryk for universets udvidelse,

og i tilfældet med PC 1247+3406 har universet

udvidet sig lige så meget, som bølgelængderne

er blevet strakt. Universet var med

andre ord 5,9 gange mindre, dengang lyset

blev udsendt.

Overvældet? I så fald er det også lykkedes

for undertegnede skribent at snakke udenom

og at fjerne opmærksomheden fra det problem,

hvis eksistens astronomerne indtil for

nylig har benægtet. I stedet for at hæfte sig

ved spektrallinjernes placering kan man nem-

lig undre sig over, at de overhovedet er der.

Problemet hænger sammen med vores opfattelse

af, hvordan universets grundstoffer

er blevet til. Vi mener at vide, at der umiddelbart

efter Big Bang – og her taler vi om få

minutter – næsten kun var de to simpleste

grundstoffer, brint og helium, til stede. Alle

tungere grundstoffer formodes at være dannet

langt senere, nemlig dybt i stjernernes

indre og/eller i forbindelse med supernovaeksplosioner.

Ingen af disse to forklaringer

har imidlertid været regnet for relevant for

denne tidlige epoke i universets historie – og

hermed er vi langt om længe tilbage ved denne

artikels egentlige emne, nemlig de aktive

galaksekerner.

Emissionslinjer

Det første spektrum af en aktiv galaksekerne

eller rettere en galakse med en aktiv kerne

blev optaget fotografisk i 1908 af E.G. Fath,

der var specialestuderende ved Lick-observatoriet

i Californien. Hans objekt havde katalognavnet

NGC 1068 og var netop en galakse,

dvs. et fjernt, selvstændigt stjernesystem i lighed

med vores egen Mælkevej. Dengang var

man dog ikke sikker på forskellen mellem

galakser og stjernetåger, altså komplekser af

gas og støv i Mælkevejssystemet, og Faths arbejde

kunne i virkeligheden udmærket tages

som et argument for, at NGC 1068 var en almindelig

stjernetåge.

Stjerner og dermed galakser er nemlig rent

spektroskopisk karakteriseret ved tilstede-

aktuel ASTRONOMI – SOMMER NR. 3/04 35


36

Sammenhængen mellem AGN og starbursts:

Hønen, ægget eller begge dele?

1 .

Starburst opfører sig som AGN

Ved dårlig opløsning kan et kompakt

starburst minde om et sort hul.

aktuel ASTRONOMI – SOMMER NR. 3/04

Stjernedannelsesområde

2 .

Starburst og AGN får energi fra samme kilde

... suges gassen ind

mod dem ...

Inaktivt sort hul

Idet de to galakser

nærmer sig hinanden ...

... og leverer næring til

hullet og stof til nye

stjerner.

værelsen af absorptionslinjer fra forskellige

grundstoffer, og hvad Fath observerede i NGC

1068, var det stik modsatte, nemlig emissionslinjer.

(Forskellen på de to slags linjer er forklaret

i boks 1 på side 35). En af datidens

største eksperter i spektroskopi, amerikaneren

V.M. Slipher, optog kort tid derefter et

forbedret spektrum af NGC 1068 og konstaterede,

at det udviste store lighedspunkter med,

hvad man kendte fra de såkaldte planetariske

tåger. Dog var linjerne i NGC 1068 usædvanligt

brede, et udtryk for, at dets lysende

stof havde en stor spredning af hastigheder

og dermed voldsom turbulens.

Lysstærke kerner

Faths observationer var i virkeligheden langt

forud for deres tid. Vi skal nemlig om på den

anden side af årstallet 1923, før galaksernes

natur som selvstændige stjernesystemer blev

afsløret. Og yderligere seks år skulle gå, før

disse galakser demonstrerede universets udvidelse,

som det kunne konstateres ud fra

deres absorptionslinjers rødforskydninger

– omend der i disse tilfælde kun var tale om

værdier på en procent eller derunder, altså ca.

tusinde gange mindre end rekorden ovenfor.

Først i 1943 blev sagen om de specielle

galakser taget op igen. Det år gjorde den

amerikanske astronom Carl K. Seyfert opmærksom

på, at der fandtes en hel klasse af

galakser, blandt hvilke NGC 1068 udgjorde

en slags prototype. De pågældende galakser,

der siden hen kom til at hedde slet og ret


KVA S A R

3 .

AGN udløser starburst

... der støder ind

i den omgivende gas ...

... og forøger trykket så

meget, at der udløses

stjernedannelse.

Seyfert-galakser, var i og for sig normale galakser

af spiraltypen. Men deres særlige kendetegn

var en meget kompakt og meget lysstærk

kerne, og denne kernes lys stammede

tydeligvis ikke fra stjerner. Lyset var nemlig,

viste de spektroskopiske undersøgelser, domineret

af stærke emissionslinjer som dem, Fath

og Slipher havde påvist mange år forinden.

Seyferts arbejde vakte i første omgang ikke

den store interesse i astronomernes rækker.

Men at hans galakser ikke kunne være helt

normale, fremgik i 1955, hvor man påviste

radiostråling fra to af dem, deriblandt den

allestedsnærværende NGC 1068.

Netop radiostrålingen burde have vakt fornyet

opmærksomhed, for i løbet af 1950’erne

havde man iværksat de første systematiske

katalogiseringer af himlens enkelte radiokilder.

Og man kunne have imødeset en rolig

forskningsindsats på denne front, med gradvis

afdækning af sammenhængen mellem

radiokilder og optiske modstykker, hvis ikke

udviklingen i 1960’erne var blevet totalt domineret

af en eneste sensationel opdagelse.

Radiokilder

Mange af radiokilderne i 1950’ernes kataloger

var nogenlunde normale galakser. Der var

dog en påfaldende stor del af dem, der udviste

den samme slags spektrale kendetegn

som dem, Seyfert havde undersøgt. Det interessante

var, at enkelte af dem tilsyneladende

var ganske almindelige stjerner, i hvert fald i

den forstand at de ingen struktur udviste. De

Jet

Skive

Et aktivt sort hul

sprøjter stof ud ...

4 .

Starburst udløser AGN

... går tunge stjerner til grunde

og bliver til sorte huller,

som smelter sammen ...

... og ender med at blive et

eneste supertungt sort hul.

var uopløste punktkilder.

Der var dog noget mystisk ved disse ”radiostjerner”.

For det første var de over én kam

meget mere blå end himlens de andre stjerner.

Ydermere havde deres spektre, som man

påviste i 1960, brede emissionslinjer. Og fra

hvilke grundstoffer disse linjer stammede,

kunne ikke afgøres. Man var derfor udmærket

klar over, at radiostjernerne var meget forskellige

fra almindelige stjerner, og af denne

grund fik de tildelt den mere forsigtige betegnelse

”kvasistellare radiokilder”. Og som

antydet i begyndelsen kom det mere mundrette

”kvasar” på banen i 1964.

Det afgørende gennembrud i forståelsen

af kvasarernes natur var dog allerede sket i

1963, da den hollandsk-amerikanske astronom

Maarten Schmidt løste gåden om deres

spektre. Han påviste, at emissionslinjerne

skyldtes helt normale og velkendte grundstoffer,

frem for alt brint, men at der var tale

om usædvanlig høje rødforskydninger.

At det virkelig forholdt sig sådan, måtte

alle astronomer erklære sig enige i. Men derefter

skiltes vandene. De høje rødforskydninger

indebar nemlig, hvis man tog dem for

pålydende værdi, kolossale afstande – og da

kvasarernes tilsyneladende lysstyrker kunne

sammenlignes med, hvad vi modtager fra

stjerner i vores umiddelbare astronomiske

nabolag, måtte deres fysiske energiudsendelse

være enorm, typisk adskillige tusinde gange

den samlede lysproduktion i en hel galakse

med måske et par hundrede milliarder stjer-

I en stjernehob nær galaksens centrum ...

ner. Der var derfor ikke helt få astronomer,

som foreslog at revurdere rødforskydningen

som kosmologisk afstandsmål.

Sorte huller

Allerede i navngivningsåret 1964 optrådte

de første formodninger om, at de store energikrav

kunne honoreres af et supertungt sort

hul, som ernærede sig ved at suge stof til sig

fra omgivelserne. Andre kunne dog godt tænke

sig en efter datidens forestillinger knap så

eksotisk forklaring på det voldsomme fænomen,

og de fæstede deres lid til, at velkendte

objekter såsom unge stjerner og/eller supernovaer

– omend i ganske betydelige antal og

på et meget beskedent område – kunne levere

den fornødne lysstyrke.

I løbet af 1980’erne, hvor den observationelle

astronomi gik fremad med stormskridt,

og hvor man i kraft af et udvalg af astronomiske

satellitter blev i stand til at observere

objekter ved alle mulige bølgelængder i det

elektromagnetiske spektrum, blev denne forklaringsmodel

forladt lidt efter lidt. Også de

radioastronomiske observationer tydede på,

at kvasarernes energiproduktion var begrænset

til et ubegribeligt lille område, set i den

galaktiske målestok, med en omtrentlig udstrækning

som vores Solsystem.

Aktive galaksekerner

Med de nye forskningsresultater fulgte og

den forståelse, at Seyfert-galakserne og kvasarerne

udgjorde de energimæssige ekstre-

aktuel ASTRONOMI – SOMMER NR. 3/04

37

Illustration: TBP / Teis Caspersen


Radiokilden Centaurus A og dens optiske værtsgalakse

med katalognavnet NGC 5128 er med en afstand på

små 20 millioner lysår den nærmeste aktive galakse,

vi kender til.

Foto: M. Westmoquette (University College, London), J. Gallagher

(UW-Madison), L. Smith (University College, London), WIYN / NSF

og NASA / ESA

mer af et og samme fænomen knyttet til voldsomme

processer i galaksernes allerinderste

centralområder. Fænomenet blev slet og ret

døbt en aktiv galaksekerne. Til afrunding af

forklaringen hører, at når man ikke kan se

den mindste smule galakse omkring den typiske

kvasar, er det, fordi galakselyset overstråles

af kvasaren.

De aktive galakser – hvilket vil sige galakser

med en aktiv kerne – udgør en broget

skare, og hvis man ønsker at studere dem

nærmere, må man ikke lade sig afskrække af

ejendommeligt klingende navne og forkortelser

såsom BLLac, LINER, OVV ... og af og til

vil man også i en sådan oversigt finde ordet

”starburst”, især i forbindelsen starburst-galakse.

Det er endnu ikke lykkedes at finde en

egnet dansk gengivelse, men begrebet dækker

over, at man i enkelte galakser observerer

en overordentlig voldsom produktion af nye

stjerner – flere størrelsesordener voldsommere

end den, vi kender fra eksempelvis Oriontågen

eller andre store gaskomplekser i vores

egen Mælkevej.

Nye stjerner i overtal

Starbursts har typisk energier af samme størrelsesordener

som de aktive galaksekerner,

med en næsten lige så stor spredning, omend

de kraftigste kvasarer stadig er universets

mest lysstærke kilder. Der har derfor

været en vis tvivl om, hvorvidt man burde

klassificere starburst-galakserne som værende

aktive. Ikke alene energiudsendelsen be-

38 aktuel ASTRONOMI – SOMMER NR. 3/04

2. Et virvar af aktivitet

I den righoldige litteratur om de aktive galaksekerner støder man på mange vanskeligt

gennemskuelige forkortelser. Nedenstående oversigt dækker de vigtigste af dem, men

er desværre langt fra udtømmende ...

Navn/forkortelse Beskrivelse

AGN Active Galactic Nucleus: Galaksekerne kendetegnet ved lille udstrækning,

stor energiudsendelse, emissionsspektrum, variabilitet ...

Seyfert-galakse Galaksetype identificeret af C.K. Seyfert; se teksten.

Kvasar Kvasistellar radiokilde; den først påviste type QSO.

QSO Kvasistellart objekt; den mest energirige type AGN. Kaldes oftest

blot ”kvasar” (som i denne artikel), selv om der ingen radiostråling

kan påvises.

LINER (Low Ionization Nuclear Emission-line Region); AGN-(galakse) kendetegnet

ved stærke linjer på et lavt ionisationstrin, f.eks. OI og NII.

BL Lac-objekt Stærkt variabelt objekt kendetegnet ved fravær af spektrallinjer;

opkaldt efter prototypen BL Lacertae, der oprindeligt blev klassificeret

som en variabel stjerne.

OVV Optically Violent Variable; AGN kendetegnet ved drastiske lysstyrkevariationer.

Både BL Lac- og OVV-fænomenet menes at være udtryk

for, at objektets stråling udsendes direkte mod os.

N-galakser N: nucleus; ældre betegnelse for galakse med centralt koncentreret

lys.

Starburst-galakser Galakser (ikke nødvendigvis med AGN) kendetegnet ved voldsom

stjernedannelsesaktivitet

rettiger hertil, men man finder oftest stjernedannelsen

koncentreret i galaksens centrum,

endda i en sådan grad, at kerneaktivitet i

den sædvanlige forstand ikke kan skelnes fra

starburst-aktivitet, som ovenfor nævnt. Der

er dog i almindelighed en markant spektroskopisk

forskel på de to fænomener, idet

nemlig et starburst hovedsagelig får sit lys

fra de enkelte stjerner i det, således at et starburst

vil være præget af absorptionslinjer.

Hønen eller ægget

Der burde derfor ikke være nogen sammenhæng

mellem de to umiddelbart meget forskellige

fænomener. Ikke desto mindre har de

allerseneste års undersøgelser med forbedret

teknik vist, at de påfaldende ofte følges ad.

Astronomerne er derfor begyndt at overveje

seriøst, om der kunne tænkes en eller anden

fysisk forbindelse mellem de to situationer

og måske ligefrem en årsagssammenhæng

fra det ene til det andet fænomen (se figuren

på side 36-37).

Der er endnu ikke enighed om, hvilken af

de fire foreslåede muligheder der bedst dækker

de tilgængelige observationer. For et års

tid siden syntes der at være flertal for den

fjerde model, hvor starburstet så at sige er

hønen, der lægger sit æg i form af det centrale

sorte hul. Opinionen blandt astronomerne

synes siden da at være svinget til fordel

for model nr. 3, hvor ægget kommer først

og med den yderst høje stoftæthed i sit umiddelbare

nabolag er i stand til at udløse den

voldsomme stjernedannelse som en sekundær

proces. Under alle omstændigheder venter

der utvivlsomt nye og spændende resultater

i den nære fremtid fra forskningsfeltet

omkring AGN/starburst-forbindelsen. Forskningen

er i hvert fald tro mod sit emne derved,

at den er præget af stor aktivitet ...

Og til sidst må vi jo ikke glemme, at der er

udsigt til en snarlig forklaring på, hvor de

tunge grundstoffer i kvasarspektrene kommer

fra.

3

More magazines by this user
Similar magazines