När du tittar på den mörka natthimlen ser du stjärnor spridda i alla riktningar. Det kan finnas några fler här än där, men i allmänhet är stjärnorna fördelade mer eller mindre jämnt på natthimlen.

Och om du befinner dig på en särskilt mörk plats ser du ett svagt ljusband över himlen. Och om du skulle rikta ett teleskop i riktning mot detta band skulle du se många, många fler stjärnor.

Den italienska vetenskapsmannen Galileo Galilei var den förste som gjorde detta och bekräftade därmed den mer än 2 000 år gamla uppfattningen att bandet, som i årtusenden hade kallats ”Vintergatan” från grekiskans galaxías kýklos, bestod av oräkneliga, avlägset belägna stjärnor.

Tanken började formas att solsystemet befann sig i en tillplattad klump av stjärnor eftersom man när man tittar längs denna ”skiva” ser ett överflöd av stjärnor, medan man ser färre när man tittar bort från skivan.

Förutom stjärnorna sågs ett antal luddiga klumpar som man först trodde låg inne i Vintergatan. Man trodde helt enkelt att Vintergatan var allt som fanns – den var hela universum. Den tyske filosofen Immanuel Kant föreslog dock att Vintergatan bara var vårt universum, medan de luddiga klumparna – eller nebulosorna – var avlägsna ”öuniverser”, långt ifrån vårt.

På den här tiden var sådana tankar bara spekulationer, men i och med introduktionen av kameran och stora teleskop insåg astronomerna, för bara 100 år sedan, att vår galax – som öuniverserna kallas i dag – bara är en av ett till synes oändligt antal klumpar av stjärnor som kretsar kring varandra och hålls samman av gravitationskraften.

Men medan avståndet mellan stjärnorna i en galax vanligtvis är några få ljusår, mäts avstånden mellan galaxer i miljoner ljusår. Mellan galaxerna finns det i princip ingenting – ungefär 1 atom per kubikmeter.

De minsta galaxerna hyser några miljoner stjärnor, medan de största omfattar triljoner. Vintergatan, som kan betraktas som en typisk galax, innehåller några hundra miljarder stjärnor.

I den här artikeln ska jag förklara vad en galax är, vad den består av och vilka olika typer som finns. I en senare ScienceNordic-artikel kommer vi att titta på hur galaxerna skapades från början.

Vad består galaxer av?

Fem eller sex saker kan pekas ut som byggstenar i galaxer: stjärnor, gas, stoft, supermassiva svarta hål, mörk materia och kanske planeter.

Stjärnor finns det, som beskrivits ovan, gott om. Stjärnor lever länge, men inte för evigt. När de förbrukar sitt bränsle och dör lämnar de efter sig vita dvärgar, neutronstjärnor eller svarta hål.

Men även om det i allmänhet är stjärnorna som gör det möjligt för oss att se galaxerna, utgör de faktiskt bara en liten del av galaxens totala massa.

Stjärnor består av gas, men mellan stjärnorna – i det så kallade interstellära mediet – finns också stora mängder gas.

I små galaxer kan det finnas lika mycket interstellär gas som stjärngas, medan fraktionen minskar med galaxens storlek.

Det interstellära mediet är uppdelat i olika faser. Vissa områden är diffusa och extremt varma, med temperaturer på miljontals grader. I dessa regioner är gasen joniserad, vilket innebär att de flesta atomer har fått en eller flera elektroner bortrivna på grund av den höga temperaturen.

Andra regioner är tätare och kallare, runt 10 000 K.

Jo varmare gasen är, desto högre är trycket och desto mer expanderar den (detta är samma mekanism som får en varmluftsballong att stiga).

Omvänt, om gasen svalnar avsevärt (till cirka 100 grader Kelvin, eller -170 °C), bildas mycket täta och kalla molekylmoln. Det är här nya stjärnor bildas!

I Big Bang skapades praktiskt taget bara väte- och heliumatomer, vilket jag skrev mer om i artikeln The Big Bang – an eyewitness account.

Men när stjärnor brinner ut och dör återlämnar de en del av sin gas till det interstellära mediet – fast nu är den förorenad med tyngre grundämnen (som astronomer kärleksfullt generaliserar genom att kalla dem alla för ”metaller”, även om det kan låta disharmoniskt för kemister).

I dag har ungefär två procent av den totala gasmassan förvandlats till metaller, och ungefär en tredjedel av dessa metaller har klumpats ihop som stoft.

Planeter – en försumbar bråkdel av galaxen

När en stjärna föds bildas en skiva med gas och damm runt den. Stoft kan klumpa ihop sig och bilda stenar som i sin tur bildar större stenar som så småningom kan hamna som planeter.

I den totala massabudgeten spelar planeterna en försvinnande liten roll, men de är troligen nödvändiga för att liv ska kunna existera, så de är ganska spännande ändå.

Sedan upptäckten av de första planeterna utanför vårt solsystem för bara 25 år sedan, har det blivit uppenbart att de flesta stjärnor har planeter. Vi känner nu till mer än 4 000 exoplaneter (dvs. planeter som kretsar kring andra stjärnor än vår sol).

Supermassiva svarta hål och mörk materia

I centrum av de flesta galaxer finns ett ”supermassivt svart hål”. Dessa svarta hål kan väga miljontals eller miljarder gånger solens massa (i astronomin är allting så massivt att det blir opraktiskt att mäta saker i gram eller kilogram, så i stället använder vi solmassor, vilket är ungefär detsamma som två miljarder miljarder triljoner kilogram).

Tyngdkraftsmässigt är deras bidrag ganska obetydligt jämfört med resten av galaxen, men under en tid kan de svarta generera en ”aktiv galaktisk kärna”, eller en kvasar, som kan blåsa ut en betydande del av galaxens materia från galaxen.

Undertiden kan dessa kvasarer evakuera galaxen från gas i en sådan utsträckning att det kväver bildandet av nya stjärnor.

Det vi hittills har hört talas om utgör dock bara ungefär 1/6 av den totala massan. Majoriteten av en galaxs massa utgörs i själva verket av något helt annat, nämligen mörk materia.

Den mörka materian skiljer sig från ”vanlig” materia genom att den endast interagerar gravitationellt. Det innebär att den varken påverkas av eller utövar elektromagnetiska eller nukleära krafter, så den kan inte sända ut ljus och den kan inte kollidera med andra saker.

Det är just för att den inte sänder ut ljus som vi kallar den mörk materia. Vi kan inte se den; vi ser bara den effekt den har på saker som vi kan se, eftersom den interagerar gravitationellt med den lysande materian.

Den normala materian kan svalna och bli en tät galax, men den mörka materian har svårare att klumpa ihop sig, och ligger därför i en mycket större ”halo” runt den synliga delen av galaxen.

Det som vi ser som en galax är alltså i själva verket bara en bråkdel av vad en galax faktiskt är. Den här figuren visar de ungefärliga måtten på Vintergatans beståndsdelar.

Galaxiezoo

Galaxier har en mängd olika former och utseenden, men i allmänhet kan vi organisera dem i tre klasser:

1. Spiralgalaxer
2. Elliptiska galaxer
3. Irregulära galaxer

Alla dessa klasser har dock undergrupper, och vissa galaxer är till och med något hors catégorie.

En galaxs utseende kallas för dess morfologi. Om vi vill studera galaxernas utveckling är det praktiskt att klassificera dem efter deras typ, men ganska ofta är det lite subjektivt hur man skulle klassificera en galax morfologiskt, eftersom det inte finns några tydliga gränser mellan de olika typerna.

Om du vill hjälpa astronomerna att klassificera galaxer kan du besöka galaxyzoo.org och hjälpa oss att bestämma.

Så sent som förra året ledde resultaten från denna astro-crowdsourcing till att astronomer reviderade vår förståelse av hur armarna i spiralgalaxer beter sig (se den här videon för en genomgång).

Men låt oss ta en närmare titt på de olika typerna av galaxer.

De storslagna spiralgalaxerna

I min mening är spiralgalaxer de vackraste. De kännetecknas av en rödaktig, central ”bula” och ett antal blåaktiga spiralarmar som ligger i en platt skiva, och de roterar majestätiskt med perioder på några 100 miljoner år.

Spiralarmarna rymmer bara ungefär 2-3 gånger så många stjärnor som mellan dem, men eftersom det sker en aktiv stjärnbildning i dessa områden är de mycket ljusare. Eftersom de massiva stjärnorna – som lyser med ett blått ljus men brinner ut snabbt – fortfarande finns här, framstår armarna som blå.

Omkring två tredjedelar av spiralgalaxerna har en stavliknande struktur som sträcker sig från utbuktningen. Staven är troligen ett slags densitetsvåg, liksom spiralarmarna, som kan ”suga in” gas från de omgivande spiralarmarna, som sedan kan användas för att från nya stjärnor.

Denna gas kan också ge näring åt ett supermassivt svart hål i galaxens centrum, vilket gör att den förvandlas till en aktiv galaktisk kärna eller en kvasar.

Giants of the Universe: Elliptiska galaxer

Elliptiska galaxer är, tror vi, resultatet av sammanslagningen av många mindre (proto-)galaxer. Under dessa kollisioner ökar först stjärnbildningshastigheten dramatiskt och vi ser en eller flera ”starbursts”.

Den våldsamma stjärnbildningen kan förbruka det mesta av gasen på en gång. Själva kollisionen samt stjärnvindar och supernovor blåser ut resten av gasen, så att bildandet av nya stjärnor blir svårt. Således återstår bara de gamla stjärnorna, och eftersom gamla stjärnor är röd-orange är detta färgen på de flesta elliptiska galaxer.

Denna så kallade quenching lämnar efter sig en röd och ”död” galax.

De största galaxerna i universum är elliptiska, med en massa på upp till tio gånger större än Vintergatan. Dessa galaktiska monster befinner sig ofta i centrum av stora galaxhopar, det vill säga samlingar av hundratals eller tusentals galaxer som hålls samman av gravitationen.

… och så finns det alla de andra typerna av galaxer

Vissa galaxer, i synnerhet de mindre galaxerna, är varken elliptiska eller skivformade, utan har en helt annan form. Dessa galaxer kallas oregelbundna galaxer.

Den oregelbundna formen beror ofta på kollisioner, eller nära kollisioner, med andra galaxer.

Oregelbundna galaxer är vanligtvis små, eftersom större galaxer är bättre rustade för att stå emot skakningar och omrörningar från andra galaxer.

En annan typ är lentikulära galaxer, ett slags kombination mellan elliptiska och spiralformade: De uppvisar en viss spiralstruktur, men också en tydlig elliptisk halo.

Desto större och massivare en galax är, desto mindre vanlig är den. De flesta galaxer är således dvärggalaxer, som sedan kan kategoriseras vidare i dvärgspiraler, dvärgelliptiska galaxer, dvärgirregulära galaxer och dvärgspheroidalaxer.

Ringgalaxer har en utbuktning precis som spiralgalaxer, och en större stellär ringstruktur. De kan ha bildats genom att en annan galax flyger rakt igenom en spiralgalax, men de är mycket sällsynta och därför inte särskilt välstuderade.

Nyligen hittade astronomer den hittills mest avlägsna av dessa märkliga galaxer med bevis för att en kosmisk ”hit-and-run” ägde rum för 11 miljarder år sedan.

Hur dessa gåtfulla klumpar av stjärnor, gas, stoft och mörk materia skapades till att börja med är en längre historia, som du kommer att kunna läsa mer om i en uppföljande artikel här på ScienceNordic.

Läs den danska versionen på Videnskab.dk:s Forskerzonen. Tack till Guarn Nissen för förslag och redigeringar under min översättning av texten från danska till engelska.

Peter Laursens profil (Niels Bohr Institutet, Köpenhamns universitet)

Peter Laursens hemsida

’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