Tähtitieteilijät pystyivät edistymään valtavasti Linnunradan spiraalirakenteen kartoittamisessa sen jälkeen, kun he löysivät viileästä vedystä peräisin olevan 21 cm:n viivan (ks. kohdasta Tähtien välissä: Kaasua ja pölyä avaruudessa). Muista, että tähtienvälisen pölyn peittävä vaikutus estää meitä näkemästä tähtiä suurilla etäisyyksillä kiekon sisällä näkyvillä aallonpituuksilla. Kuitenkin 21 cm:n aallonpituuden radioaallot kulkevat suoraan pölyn läpi, minkä ansiosta tähtitieteilijät voivat havaita vetyatomeja kaikkialla galaksissa. Levyn tähtien infrapunasäteilyä koskevat uudemmat tutkimukset ovat antaneet samanlaisen pölyttömän näkymän galaksimme tähtijakaumasta. Kaikesta tästä viidenkymmenen viime vuoden aikana tapahtuneesta edistyksestä huolimatta olemme vasta alkaneet selvittää galaksimme tarkkaa rakennetta.

Maidonradan varret

Kiekon kaasumaisen osan radiohavainnoista käy ilmi, että galaksissa on kaksi suurta spiraalihaaraa, jotka lähtevät palkista, sekä useita himmeämpiä haaroja ja lyhyempiä haaroja. Näet hiljattain kootun kartan galaksimme haararakenteesta – joka on peräisin infrapunatutkimuksista – kuvassa 1.

Aurinko on lähellä Orionin tähtihaaraksi kutsutun lyhyen haaran sisäreunaa, joka on noin 10 000 valovuoden pituinen ja sisältää sellaisia silmiinpistäviä piirteitä kuin Cygnuksen repeämä (kesäisen Linnunradan suuri tumma sumu) ja kirkas Orionin sumu. Kuvassa 2 on esitetty muutamia muita kohteita, jotka jakavat tämän pienen galaksin osan kanssamme ja jotka on helppo nähdä. Muista, että mitä kauemmas yritämme katsoa omasta käsivarrestamme, sitä enemmän galaksin pöly kerääntyy ja vaikeuttaa näkyvän valon näkymistä.

Spiraalirakenteen muodostuminen

Auringon etäisyydellä sen keskipisteestä galaksi ei pyöri kuin kiinteä pyörä tai CD-levy soittimesi sisällä. Sen sijaan tapa, jolla yksittäiset kohteet pyörivät galaksin keskipisteen ympärillä, muistuttaa enemmänkin aurinkokuntaa. Tähdet sekä kaasu- ja pölypilvet noudattavat Keplerin kolmatta lakia. Keskipisteestä kauempana olevilla kohteilla kestää kauemmin kiertää galaksia kuin lähempänä keskipistettä olevilla. Toisin sanoen galaksin suuremmilla kiertoradoilla olevat tähdet (ja tähtienvälinen aine) jäävät jälkeen pienemmillä kiertoradoilla olevista tähdistä. Tätä vaikutusta kutsutaan differentiaaliseksi galaktiseksi pyörimiseksi.

Differentiaalinen pyöriminen näyttäisi selittävän sen, miksi niin suuri osa Linnunradan kiekon aineesta on keskittynyt pitkulaisiksi piirteiksi, jotka muistuttavat spiraalihaaroja. Olipa materiaalin alkuperäinen jakauma mikä tahansa, galaksin differentiaalinen pyöriminen voi venyttää sen spiraalimaisiksi piirteiksi. Kuvassa 3 on esitetty spiraalihaarojen kehittyminen kahdesta epäsäännöllisestä tähtienvälisen aineen rykelmästä. Huomaa, että kun galaksin keskustaa lähinnä olevat rakeiden osat liikkuvat nopeammin, kauempana olevat osat jäävät jälkeen.

Mutta tämä kuva spiraalihaaroista asettaa tähtitieteilijät välittömän ongelman eteen. Jos tarinassa ei olisi muuta, differentiaalinen pyöriminen – galaksin noin 13 miljardin vuoden historian aikana – olisi kietonut galaksin käsivarret yhä tiukemmalle, kunnes kaikki spiraalirakenteen näennäisyys olisi kadonnut. Mutta oliko Linnunradalla todella spiraalihaaroja, kun se muodostui 13 miljardia vuotta sitten? Ja kestävätkö kerran muodostuneet spiraalihaarat niin kauan?

Hubble-avaruusteleskoopin myötä on tullut mahdolliseksi tarkkailla hyvin kaukana sijaitsevien galaksien rakennetta ja nähdä, millaisia ne olivat pian sen jälkeen, kun ne alkoivat muodostua yli 13 miljardia vuotta sitten. Havainnot osoittavat, että galakseissa oli lapsena kirkkaita, kokkareisia tähtiä muodostavia alueita, mutta ei säännöllistä spiraalirakennetta.

Näiden parin miljardin vuoden aikana galaksit alkoivat ”rauhoittua”. Galaksit, joista oli tarkoitus tulla spiraaleja, menettivät massiiviset rykelmänsä ja kehittivät keskeisen pullistuman. Turbulenssi näissä galakseissa väheni, rotaatio alkoi hallita tähtien ja kaasun liikkeitä, ja tähdet alkoivat muodostua paljon hiljaisemmassa kiekossa. Pienemmät tähtiä muodostavat rykelmät alkoivat muodostaa epäselviä, vähän erottuvia spiraalihaaroja. Kirkkaita, hyvin erottuvia spiraalihaaroja alkoi näkyä vasta, kun galaksit olivat noin 3,6 miljardia vuotta vanhoja. Aluksi oli kaksi hyvin erottuvaa haaraa. Linnunradan kaltaiset galaksien monihaaraiset rakenteet ilmestyivät vasta, kun maailmankaikkeus oli noin 8 miljardin vuoden ikäinen.

Keskustelemme galaksien historiaa yksityiskohtaisemmin teoksessa The Evolution and Distribution of Galaxies. Mutta jo lyhyestä keskustelustamme voi saada sen käsityksen, että spiraalirakenteet, joita nyt havaitsemme kypsissä galakseissa, ovat tulleet mukaan myöhemmin koko maailmankaikkeuden kehitystarinassa.

Tutkijat ovat käyttäneet supertietokonelaskelmia mallintaakseen käsivarsien muodostumista ja kehittymistä. Näissä laskelmissa seurataan jopa 100 miljoonan ”tähtihiukkasen” liikkeitä nähdäkseen, voivatko gravitaatiovoimat saada ne muodostamaan spiraalirakenteen. Laskelmat osoittavat, että jättiläismäisillä molekyylipilvillä (joita käsittelimme kirjassa Tähtien välissä: Kaasua ja pölyä avaruudessa) on riittävästi gravitaatiovaikutusta ympäristöönsä, jotta ne voivat käynnistää spiraalihaarojen kaltaisten rakenteiden muodostumisen. Näistä haaroista tulee sitten itseään ylläpitäviä, ja ne voivat säilyä ainakin useita miljardeja vuosia. Varret saattavat muuttaa kirkkauttaan ajan mittaan, kun tähtien muodostuminen alkaa ja loppuu, mutta ne eivät ole tilapäisiä piirteitä. Aineen keskittyminen varsiin harjoittaa riittävää gravitaatiovoimaa pitääkseen varret kasassa pitkiä aikoja.

Sanasto

differentiaalinen galaktinen kierto:

ajatus siitä, että galaksin eri osat pyörivät eri nopeudella, koska galaksin osat noudattavat Keplerin kolmatta lakia: kauempana olevilla kohteilla kestää kauemmin suorittaa yksi täysi kiertorata galaksin keskipisteen ympäri

spiraalivarsi:

spiraalin muotoinen alue, jolle on ominaista suhteellisen tiheä tähtienvälinen aines ja nuoret tähdet ja joka havaitaan spiraaligalaksien kiekoissa

.