Astronomer kunde göra enorma framsteg när det gäller att kartlägga Vintergatans spiralformade struktur efter att ha upptäckt 21-cm linjen som kommer från kallt vätgas (se Mellan stjärnorna: Gas och damm i rymden). Kom ihåg att den skuggande effekten av interstellärt damm hindrar oss från att se stjärnor på stora avstånd i skivan vid synliga våglängder. Radiovågor med en våglängd på 21 cm passerar dock rakt igenom dammet, vilket gör det möjligt för astronomer att upptäcka väteatomer i hela galaxen. Nyare undersökningar av den infraröda emissionen från stjärnor i skivan har gett ett liknande dammfritt perspektiv på vår galaxs stjärnfördelning. Trots alla dessa framsteg under de senaste femtio åren har vi fortfarande bara börjat fastställa den exakta strukturen i vår galax.

Miljövägens armar

Våra radioobservationer av skivans gasformiga komponent visar att galaxen har två större spiralarmar som utgår från baren och flera svagare armar och kortare utlöpare. Du kan se en nyligen sammanställd karta över vår galaxs armstruktur som härrör från studier i det infraröda i figur 1.

Solen befinner sig nära den inre kanten av en kort arm som kallas Orionspurten, som är cirka 10 000 ljusår lång och innehåller sådana iögonfallande inslag som Cygnussprickan (den stora mörka nebulosan i sommarens Vintergatan) och den ljusa Orionnebulosan. Figur 2 visar några andra objekt som delar denna lilla del av galaxen med oss och som är lätta att se. Kom ihåg att ju längre bort vi försöker se från vår egen arm, desto mer stoftet i galaxen byggs upp och gör det svårt att se med synligt ljus.

Formation av spiralstruktur

På solens avstånd från dess centrum roterar galaxen inte som ett solitt hjul eller en CD-skiva i din spelare. Istället liknar det sätt på vilket enskilda objekt roterar runt galaxens centrum mer solsystemet. Stjärnorna, liksom molnen av gas och stoft, lyder Keplers tredje lag. Objekt som befinner sig längre bort från centrum tar längre tid på sig att fullborda en omloppsbana runt galaxen än de som befinner sig närmare centrum. Med andra ord släpar stjärnor (och interstellär materia) i större banor i galaxen efter dem i mindre banor. Denna effekt kallas differentiell galaktisk rotation.

Differentiell rotation verkar förklara varför så mycket av materialet i Vintergatans skiva är koncentrerat till avlånga drag som liknar spiralarmar. Oavsett hur den ursprungliga fördelningen av materialet kan se ut kan galaxens differentiella rotation sträcka ut det till spiralformade drag. Figur 3 visar utvecklingen av spiralarmar från två oregelbundna klumpar av interstellär materia. Lägg märke till att när de delar av klumparna som ligger närmast det galaktiska centrumet rör sig snabbare, släpar de delar som ligger längre ut efter.

Men den här bilden av spiralarmar ställer astronomerna inför ett omedelbart problem. Om det var allt som fanns i historien skulle differentiell rotation – under galaxens cirka 13 miljarder år långa historia – ha lindat in galaxens armar allt snävare och snävare tills allt sken av spiralstruktur hade försvunnit. Men hade Vintergatan verkligen spiralarmar när den bildades för 13 miljarder år sedan? Och håller spiralarmar, när de väl har bildats, i sig så länge?

Med Hubble-rymdteleskopets tillkomst har det blivit möjligt att observera strukturen hos mycket avlägsna galaxer och att se hur de såg ut strax efter att de började bildas för mer än 13 miljarder år sedan. Observationerna visar att galaxerna i sin linda hade ljusa, klumpiga stjärnbildande områden, men ingen regelbunden spiralstruktur.

Under de följande miljarderna år började galaxerna ”sätta sig”. De galaxer som skulle bli spiraler förlorade sina massiva klumpar och utvecklade en central utbuktning. Turbulensen i dessa galaxer minskade, rotationen började dominera stjärnornas och gasens rörelser och stjärnor började bildas i en mycket tystare skiva. Mindre stjärnbildande klumpar började bilda luddiga, inte särskilt distinkta spiralarmar. Ljusa, väldefinierade spiralarmar började dyka upp först när galaxerna var cirka 3,6 miljarder år gamla. Till en början fanns det två väldefinierade armar. Flerarmiga strukturer i galaxer som vi ser i Vintergatan dök upp först när universum var cirka 8 miljarder år gammalt.

Vi kommer att diskutera galaxernas historia mer ingående i The Evolution and Distribution of Galaxies. Men även av vår korta diskussion kan man få en känsla av att de spiralstrukturer som vi nu observerar i mogna galaxer har kommit senare i den fullständiga historien om hur saker och ting utvecklas i universum.

Vetenskapsmännen har använt superdatorberäkningar för att modellera armarnas bildning och utveckling. Dessa beräkningar följer rörelserna hos upp till 100 miljoner ”stjärnpartiklar” för att se om gravitationskrafter kan få dem att bilda spiralstruktur. Vad dessa beräkningar visar är att jättelika molekylmoln (som vi diskuterade i Between the Stars: Gas and Dust in Space) har tillräckligt stort gravitationsinflytande över sin omgivning för att initiera bildandet av strukturer som ser ut som spiralarmar. Dessa armar blir sedan självgående och kan överleva i minst flera miljarder år. Armarna kan ändra sin ljusstyrka med tiden när stjärnbildningen kommer och går, men de är inte tillfälliga inslag. Koncentrationen av materia i armarna utövar tillräcklig gravitationskraft för att hålla ihop armarna under långa tidsperioder.

Glossar

differentiell galaktisk rotation:

idén att olika delar av galaxen roterar i olika takt, eftersom delarna av galaxen följer Keplers tredje lag: mer avlägsna objekt tar längre tid på sig att fullborda en hel omloppsbana runt galaxens centrum

spiralarmen:

ett spiralformat område som kännetecknas av relativt tätt interstellärt material och unga stjärnor och som observeras i spiralgalaxernas skivor

.