Katsellessasi pimeää yötaivasta näet tähtiä hajallaan joka suuntaan. Täällä saattaa olla muutama enemmän kuin siellä, mutta yleensä tähdet ovat jakautuneet yötaivaalle enemmän tai vähemmän tasaisesti.

Jos kuitenkin löydät itsesi erityisen pimeästä paikasta, näet taivaan poikki himmeän valokaistaleen. Ja jos suuntaisit kaukoputken tämän kaistaleen suuntaan, näkisit paljon, paljon enemmän tähtiä.

Italialainen tiedemies Galileo Galilei teki tämän ensimmäisenä ja vahvisti näin yli 2000 vuotta vanhan uskomuksen siitä, että kaistale, jota vuosituhansien ajan oli kutsuttu kreikan kielen galaxías kýklosista nimellä ”Linnunrata”, koostui lukemattomista kaukaisista tähdistä.

Alkoi muodostua ajatus, että Aurinkokunta sijaitsi litteässä tähtijoukossa, koska tätä ”kiekkoa” pitkin katsottaessa näkee runsaasti tähtiä, kun taas kiekosta poispäin katsottaessa tähtiä näkee vähemmän.

Tähtien lisäksi nähtiin joukko sumeaa rykelmää, joiden arveltiin aluksi sijaitsevan Linnunradan sisällä. Ihmiset yksinkertaisesti uskoivat, että Linnunrata oli kaikki olemassa oleva – se oli koko maailmankaikkeus. Saksalainen filosofi Immanuel Kant ehdotti kuitenkin, että Linnunrata oli vain meidän maailmankaikkeutemme, kun taas sumeat rähmät eli tähtisumut olivat kaukaisia ”saaristouniversumeja” kaukana meidän universumistamme.

Tällöin tällaiset ajatukset olivat vain spekulaatioita, mutta kameran ja suurten teleskooppien käyttöönoton myötä tähtitieteilijät tajusivat vain sata vuotta sitten, että galaksimme – jota saariuniversumeiksi nykyään kutsutaan – on vain yksi näennäisesti äärettömän monista toisiaan kiertävistä ja painovoiman yhdessä pitämistä tähtijoukoista.

Mikäli galaksin sisällä olevien tähtien välinen etäisyys on tyypillisesti muutamia valovuosia, galaksien väliset etäisyydet mitataan miljoonissa valovuosissa. Galaksien välillä ei ole periaatteessa mitään – noin 1 atomi kuutiometriä kohti.

Kaikkein pienimmissä galakseissa on muutama miljoona tähteä, kun taas suurimmissa on triljoonia. Linnunradassa, jota voidaan pitää tyypillisenä galaksina, on muutama sata miljardia tähteä.

Tässä artikkelissa selitän, mitä galaksi on, mistä se koostuu ja millaisia eri galakseja on olemassa. Myöhemmässä TiedeNordenin artikkelissa tarkastellaan, miten galaksit ylipäätään ovat syntyneet.

Mistä galaksit koostuvat?

Galaksien rakennusaineiksi voidaan osoittaa viisi tai kuusi asiaa: tähdet, kaasu, pöly, supermassiiviset mustat aukot, pimeä aine ja kenties planeetat.

Tähtiä, kuten edellä on hahmoteltukin, on runsaasti. Tähdet elävät pitkään, mutta eivät ikuisesti. Kun ne kuluttavat polttoaineensa loppuun ja kuolevat, ne jättävät jälkeensä valkoisia kääpiöitä, neutronitähtiä tai mustia aukkoja.

Mutta vaikka yleensä juuri tähdet mahdollistavat sen, että voimme nähdä galakseja, itse asiassa ne muodostavat vain pienen murto-osan galaksin kokonaismassasta.

Tähdet koostuvat kaasusta, mutta tähtien välissä – niin sanotussa tähtienvälisessä väliaineessa – asuu myös suuria määriä kaasua.

Pienissä galakseissa tähtienvälistä kaasua voi olla yhtä paljon kuin tähtien välistä kaasua, kun taas osuus pienenee galaksin koon kasvaessa.

Tähtienvälinen väliaine jakaantuu eri vaiheisiin. Jotkut alueet ovat diffuuseja ja erittäin kuumia, miljoonien asteiden lämpötiloja. Näillä alueilla kaasu on ionisoitunutta, mikä tarkoittaa, että useimmilta atomeilta on revitty yksi tai useampi elektroni irti korkean lämpötilan vuoksi.

Toiset alueet ovat tiheämpiä ja viileämpiä, noin 10 000 K.

Mitä kuumempi kaasu on, sitä korkeampi on sen paine ja sitä enemmän se laajenee (tämä on sama mekanismi, joka saa kuumailmapallon nousemaan).

Kääntäen, jos kaasu jäähtyy huomattavasti (noin 100 kelviniin eli -170 °C:een), muodostuu hyvin tiheitä ja kylmiä molekyylipilviä. Siellä syntyy uusia tähtiä!

Alkuräjähdyksessä syntyi käytännössä vain vety- ja heliumatomeja, mistä kirjoitin lisää artikkelissa Alkuräjähdys – silminnäkijäkertomus.

Mutta kun tähdet palavat loppuun ja kuolevat, ne palauttavat osan kaasustaan takaisin tähtienväliseen väliaineeseen – vain nyt se on saastunut raskaammilla alkuaineilla (joita tähtitieteilijät kutsuvat hellästi yleistävästi kaikkia ”metalleiksi”, vaikka se saattaa kuulostaa kemisteistä ristiriitaiselta).

Tänään noin kaksi prosenttia kaasun kokonaismassasta on muuttunut metalleiksi, ja noin kolmannes näistä metalleista on kasaantunut pölyksi.

Planeetat – mitättömän pieni osa galaksista

Kun tähti syntyy, sen ympärille muodostuu kiekko kaasusta ja pölystä. Pöly saattaa kasaantua yhteen muodostaen kiviä, jotka puolestaan muodostavat isompia kiviä, jotka voivat lopulta päätyä planeetoiksi.

Kokonaismassataloudessa planeetoilla on häviävän pieni merkitys, mutta ne ovat luultavasti välttämättömiä elämän olemassaololle, joten ne ovat siitä huolimatta varsin jännittäviä.

Sen jälkeen kun ensimmäiset Aurinkokuntamme ulkopuoliset planeetat löydettiin 25 vuotta sitten, on käynyt ilmeiseksi, että suurimmalla osalla tähdistä on planeettoja. Nyt tiedämme yli 4 000 eksoplaneetasta (eli planeetoista, jotka kiertävät muita tähtiä kuin Aurinkoamme).

Supermassiiviset mustat aukot ja pimeä aine

Useimpien galaksien keskellä sijaitsee ”supermassiivinen musta aukko”. Nämä mustat aukot voivat painaa miljoonia tai miljardeja kertoja Auringon massan (tähtitieteessä kaikki on niin massiivista, että asioiden mittaaminen grammoina tai kilogrammoina käy epäkäytännölliseksi, joten sen sijaan käytämme Auringon massaa, joka vastaa suunnilleen kahta miljardia miljardia biljoonaa biljoonaa kilogrammaa).

Painovoiman kannalta niiden panos on melko mitätön muuhun galaksiin verrattuna, mutta hetken aikaa musta voi synnyttää ”aktiivisen galaktisen ytimen” eli kvasaarin, joka voi puhaltaa huomattavan osan galaksin materiasta ulos galaksista.

Joskus nämä kvasaarit voivat tyhjentää galaksin kaasusta siinä määrin, että se sammuttaa uusien tähtien muodostumisen.

Mutta se, mistä olemme tähän mennessä kuulleet, muodostaa vain noin 1/6 kokonaismassasta. Suurin osa galaksin massasta on itse asiassa jotain aivan muuta, nimittäin pimeää ainetta.

Pimeä aine eroaa ”tavallisesta” aineesta siinä, että se vuorovaikuttaa keskenään vain gravitaation avulla. Tämä tarkoittaa, että siihen eivät vaikuta sähkömagneettiset tai ydinvoimat eikä se käytä niitä, joten se ei voi emittoida valoa, eikä se voi törmätä muihin asioihin.

Juuri siksi, että se ei emittoi valoa, kutsumme sitä pimeäksi aineeksi. Emme voi nähdä sitä; näemme vain sen vaikutuksen asioihin, jotka voimme nähdä, kun se vuorovaikuttaa gravitaatiovuorovaikutuksessa valovoimaisen aineen kanssa.

Normaali aine voi jäähtyä ja muuttua tiheäksi galaksiksi, mutta pimeän aineen on vaikeampi kasautua yhteen, ja siksi se sijaitsee paljon suuremmassa ”halossa” galaksin näkyvän osan ympärillä.

Siten se, mitä näemme galaksina, on itse asiassa vain murto-osa siitä, mitä galaksi todella on. Tässä kuvassa näkyvät Linnunradan osien likimääräiset mitat.

Galaksien eläintarha

Galakseja on muodoltaan ja ulkonäöltään hyvin erilaisia, mutta yleisesti ottaen ne voidaan jakaa kolmeen luokkaan:

1. Spiraaligalaksit
2. Elliptiset galaksit
3. Epäsäännölliset galaksit

Kaikilla näillä luokilla on tosin alaryhmiä, ja jotkut galaksit ovat jopa jonkin verran hors catégorie.

Galaksin ulkonäköä kutsutaan sen morfologiaksi. Jos haluamme tutkia galaksien kehitystä, on käytännöllistä luokitella ne tyypin mukaan, mutta aika usein on hieman subjektiivista, miten galaksin morfologisesti luokittelisi, koska eri tyyppien välillä ei ole selkeitä rajoja.

Jos haluat auttaa tähtitieteilijöitä galaksien luokittelussa, voit käydä osoitteessa galaxyzoo.org ja auttaa meitä päättämään.

Vielä viime vuonna tämän astro-crowdsourcingin tulokset saivat tähtitieteilijät tarkistamaan käsitystämme siitä, miten spiraaligalaksien varret käyttäytyvät (katso katsaus tältä videolta).

Mutta katsokaamme tarkemmin eri galaksityyppejä.

Kumoukselliset spiraaligalaksit

Minun mielestäni spiraaligalaksit ovat kauneimpia. Niille on ominaista punertava, keskeinen ”pullistuma” ja joukko sinertäviä spiraalihaaroja, jotka sijaitsevat litteässä kiekossa, ja ne pyörivät majesteettisesti muutaman 100 miljoonan vuoden jaksoissa.

Spiraalihaaroihin mahtuu vain noin 2-3 kertaa enemmän tähtiä kuin niiden väliin, mutta koska näillä alueilla tapahtuu aktiivista tähtien muodostumista, ne ovat paljon kirkkaampia. Koska massiiviset tähdet – jotka loistavat sinisellä valolla mutta palavat nopeasti loppuun – ovat edelleen täällä, varret näyttävät sinisiltä.

Noin kahdella kolmasosalla spiraaligalakseista on pullistumasta lähtevä pylväsmainen rakenne. Palkki on luultavasti eräänlainen tiheysaalto, samoin kuin spiraalivarret, jotka kykenevät ”imemään” ympäröivistä spiraalihaaroista kaasua, jota voidaan sitten käyttää uusista tähdistä.

Tämä kaasu voi myös ruokkia galaksin keskustassa olevaa supermassiivista mustaa aukkoa, jolloin galaksista voi tulla aktiivinen galaktinen ydin tai kvasaari.

Giants of the Universe: Elliptiset galaksit

Elliptiset galaksit ovat uskoaksemme monien pienempien (proto-)galaksien sulautumisen tulosta. Näiden törmäysten aikana tähtien muodostumisnopeus kasvaa ensin dramaattisesti, ja näemme yhden tai useampia ”tähdenlentoja”.

Väkivaltainen tähtien muodostuminen voi kuluttaa suurimman osan kaasusta kerralla loppuun. Itse törmäys sekä tähtituulet ja supernovat puhaltavat loput kaasusta ulos, jolloin uusien tähtien muodostuminen vaikeutuu. Näin jäljelle jäävät vain vanhat tähdet, ja koska vanhat tähdet ovat punaisen-oransseja, tämä on useimpien elliptisten galaksien väri.

Tämä niin sanottu sammuminen jättää jälkeensä punaisen ja ”kuolleen” galaksin.

Yleismaailman suurimmat galaksit ovat elliptisiä, ja niiden massa on jopa kymmenkertainen Linnunrataan verrattuna. Nämä galaksihirviöt sijaitsevat usein suurten galaksijoukkojen eli satojen tai tuhansien galaksien kokoelmien keskellä, joita painovoima pitää yhdessä.

… ja sitten on vielä kaikki muutkin galaksityypit

Jotkut galaksit, erityisesti pienemmät, eivät ole elliptisiä eivätkä kiekkomaisia, vaan niillä on täysin erilainen muoto. Näitä galakseja kutsutaan epäsäännöllisiksi galakseiksi.

Epäsäännöllinen muoto johtuu usein törmäyksistä tai melkein törmäyksistä toisten galaksien kanssa.

Epäsäännölliset galaksit ovat tyypillisesti pieniä, koska suuremmat galaksit kestävät paremmin toisten galaksien aiheuttamaa ravistelua ja sekoittumista.

Toinen tyyppi ovat linssimäiset galaksit, eräänlainen yhdistelmä ellipsimäisiä ja spiraaleja: Niissä on jonkin verran spiraalirakennetta, mutta myös selvä elliptinen halo.

Mitä suurempi ja massiivisempi galaksi on, sitä harvinaisempi se on. Suurin osa galakseista on siis kääpiögalakseja, jotka voidaan sitten luokitella edelleen kääpiöspiraaleihin, kääpiöelliptisiin, kääpiöepiteelisiin, kääpiöepiteelittömiin ja kääpiösfäärigalakseihin.

Rengasgalakseissa on pullistuma aivan kuten spiraaligalakseissa, ja laajempi tähtirengasrakenne. Ne ovat saattaneet muodostua toisen galaksin lentäessä suoraan spiraaligalaksin läpi, mutta ne ovat hyvin harvinaisia, eikä niitä siksi ole tutkittu kovinkaan hyvin.

Viime aikoina tähtitieteilijät löysivät tähän asti kaukaisimman näistä oudoista galakseista, ja ne ovat osoittaneet, että 11 miljardia vuotta sitten tapahtui kosminen ”törmäys”.

Miten nämä arvoitukselliset tähtien, kaasun, pölyn ja pimeän aineen rykelmät ylipäätään syntyivät, on pidempi tarina, josta voit lukea lisää myöhemmässä artikkelissa täällä ScienceNordicissa.

Lue tanskankielinen versio Videnskab.dk:n Forskerzonen-sivustolta. Kiitos Guarn Nissenille ehdotuksista ja muokkauksista, kun käänsin tekstiä tanskasta englanniksi.

Peter Laursenin profiili (Niels Bohr Institute, Kööpenhaminan yliopisto)

Peter Laursenin kotisivu

’The Evolving Interstellar Medium of Star-forming Galaxies since z = 2 as Probed by Their Infrared Spectral Energy Distributions’, The Astrophysical Journal (2012), DOI: 10.1088/0004-637X/760/1/6

’The dust-to-gas and dust-to-metal ratio in galaxies from z = 0 to 6’, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz2684

’Galaxy Zoo: unwinding the winding problem – observations of spiral bulge prominence and arm pitch angles suggest local spiral galaxies are winding’, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019), DOI: 10.1093/mnras/stz1153

’Tracing the Stellar Mass in M51’, Astrophysical Journal (1993), DOI: 10.1086/173376

’A giant galaxy in the young Universe with a massive ring’, Nature Astronomy (2020), DOI: 10.1038/s41550-020-1102-7