När du blickar upp mot natthimlen finns det ett mjukt, svepande ljusband som är omöjligt att missa. Denna fascinerande remsa, uppenbar nära horisonten och välvd över vidden, har varit föremål för mänsklig fascination i evigheter. De gamla grekerna kallade den "galaxer kuklos" eller "mjölkcirkel", och romarna kallade den "Vintergatan ."
Det var år 1610 som Galileo Galilei, med hjälp av ett av de första teleskopen, började dechiffrera detta himmelska sken. Hans banbrytande observationer avslöjade ett hisnande faktum:Vintergatans utstrålning är ett resultat av miljarder mörka stjärnor som omsluter vår kosmiska närhet.
Med den avgörande uppenbarelsen i åtanke, följ med oss på en upptäcktsresa när vi utforskar vår alldeles egna galax. Vi kommer att utforska dess storlek, form och struktur, diskutera dess stjärnors rörelse och se hur den kan jämföras med andra galaxer.
InnehållVintergatan, vårt himmelska hem, har fascinerat astronomer i århundraden. Det är en stor galax, ett stort system som inkluderar stjärnor, gas (främst väte), damm och mörk materia, alla bundna av gravitationen.
När vi navigerar genom kosmos dyker en spännande gåta upp:Hur är Vintergatan egentligen? Vad består den av och vilken form har den? Dessa grundläggande frågor har förbryllat astronomer i generationer, och det var ingen lätt uppgift att hitta svar.
En betydande utmaning uppstår ur vårt unika perspektiv:Vi bor inne i Vintergatan, vilket gör det svårt att urskilja dess form och innehåll. Tidiga astronomer stod inför många begränsningar på grund av sin tids teknik, inklusive relativt små teleskop med begränsad räckvidd och förstoringsmöjligheter, som bara kunde upptäcka synligt ljus.
Ovanpå det hindrades deras utsikt över Vintergatan eftersom den är höljd i kosmiskt damm, som liknar att titta igenom en obeveklig dammstorm. De trodde en gång att den innehöll alla stjärnor på himlen.
Tack och lov inledde 1900-talet anmärkningsvärda framsteg inom teleskopteknik, vilket gjorde det möjligt för astronomer att tränga igenom detta himmelska dis och titta djupt ut i rymden. Dessa kraftfulla instrument avslöjade en häpnadsväckande sanning:Vintergatan är inte bara en samling stjärnor utan en galax med en graciös spiralform. Och i motsats till vad många tror, sitter inte vårt solsystem i centrum av det.
Denna nyfunna kunskap belyser universums stora viddhet, eftersom Vintergatan bara är en bland otaliga galaxer som befolkar kosmos. Låt oss nu titta på några tidiga teorier om vår ödmjuka galax.
Som vi nämnde upptäckte Galileo att Vintergatan är gjord av mörka stjärnor, som ser mindre ljusa ut än andra stjärnor, antingen för att de avger mindre ljus eller för att de är långt borta från oss.
Så vi vet galaxens sammansättning, men hur är det med dess form? Hur kan du se formen på något om du är inuti det? I slutet av 1700-talet tog astronomen Sir William Herschel upp denna fråga.
Herschel resonerade att om Vintergatan var en sfär borde vi se många stjärnor i alla riktningar. Så han och hans syster Caroline räknade alla stjärnor i mer än 600 områden på himlen.
De fann att det fanns fler stjärnor i riktningarna mot Vintergatans band än över och under. Herschel drog slutsatsen att Vintergatan var en skivformad struktur. Och eftersom han hittade ungefär samma antal stjärnor i alla riktningar längs skivan, drog han slutsatsen att solen var nära skivans mitt.
Omkring 1920 mätte en holländsk astronom vid namn Jacobus Kapteyn de skenbara avstånden till närliggande och avlägsna stjärnor med hjälp av parallaxteknik. Eftersom parallax involverade mätning av stjärnors rörelser, jämförde han rörelserna hos avlägsna stjärnor med närliggande.
Han drog slutsatsen att Vintergatan var en skiva med en diameter på cirka 20 kiloparsec, eller 65 200 ljusår, (en kiloparsec =cirka 3 260 ljusår). Kapetyn drog också slutsatsen att solen var vid eller nära Vintergatans centrum.
Men framtida astronomer skulle ifrågasätta dessa idéer, och avancerad teknik skulle hjälpa dem att ifrågasätta teorierna och komma med mer exakta mätningar.
Om du håller ut tummen på armlängds avstånd och växelvis öppnar och stänger varje öga, kommer du att märka att tummen ser ut att skifta mot bakgrunden. Detta fenomen kallas ett "parallaxskifte". Astronomer observerar en liknande effekt med stjärnor på grund av jordens omloppsbana.
Genom att jämföra stjärnpositioner med sex månaders mellanrum mäter de denna parallaxvinkel (Θ). Med hjälp av Θ och jordens omloppsradie (R) beräknar de en stjärnas avstånd (D) som:D =RCotΘ . Detta är effektivt för stjärnor inom 50 parsecs. För längre stjärnor används andra metoder som involverar ljusstyrka.
Ungefär när Kapteyn publicerade sin modell av Vintergatan, märkte hans kollega Harlow Shapely att en typ av stjärnhop som kallas klothop hade en unik utbredning på himlen.
Även om få klotformiga hopar hittades inom Vintergatans band, fanns det många av dem ovanför och under det. Shapely bestämde sig för att kartlägga fördelningen av klothopar och mäta deras avstånd med hjälp av variabla stjärnmarkörer inom hoparna och förhållandet mellan ljusstyrka och avstånd.
Enligt hans observationer hittades klothopar i en sfärisk fördelning och koncentrerade nära konstellationen Skytten. Shapely drog slutsatsen att galaxens centrum var nära Skytten, inte solen, och att Vintergatan var cirka 100 kiloparsec i diameter.
Shapely var involverad i en stor debatt om naturen hos spiralnebulosor (svaga ljusfläckar synliga på natthimlen). Han trodde att de var "öuniversum", eller galaxer utanför Vintergatan. En annan astronom, Heber Curtis, trodde att spiralnebulosor var en del av Vintergatan.
Edwin Hubbles observationer av Cepheidvariabler avgjorde slutligen debatten – nebulosorna var verkligen utanför Vintergatan.
Men frågor kvarstod. Vilken form hade Vintergatan och vad exakt fanns inuti den?
Hubble studerade galaxer och klassificerade dem i olika typer av elliptiska och spiralgalaxer. Spiralgalaxerna kännetecknades av skivformer med spiralarmar. Det var naturligt att eftersom Vintergatan var skivformad och spiralgalaxer var skivformade, var Vintergatan förmodligen en spiralgalax.
På 1930-talet började astronomen R.J. Trumpler insåg att uppskattningarna av storleken på Vintergatans galax av Kapteyn och andra var borta eftersom mätningarna förlitade sig på observationer i de synliga våglängderna.
Trumpler drog slutsatsen att de enorma mängderna damm i Vintergatans plan absorberade ljus i de synliga våglängderna och fick avlägsna stjärnor och hopar att se mörkare ut än de faktiskt var. Därför, för att korrekt kartlägga stjärnor och stjärnhopar inom Vintergatans skiva, skulle astronomer behöva ett sätt att titta igenom dammet.
På 1950-talet uppfanns de första radioteleskopen. Astronomer upptäckte att väteatomer sänder ut strålning i radiovåglängderna och att dessa radiovågor kunde penetrera dammet i Vintergatan.
Så det blev möjligt att kartlägga varje spiralarm av Vintergatan. Nyckeln var markörstjärnor som de som används vid avståndsmätningar. Astronomer fann att klass O och B stjärnor skulle fungera. Dessa stjärnor hade flera funktioner:
Astronomer kunde använda radioteleskop för att exakt kartlägga positionerna för dessa O- och B-stjärnor, och använda radiospektrumets Doppler-förskjutningar för att bestämma deras rörelsehastighet. När de gjorde detta med många stjärnor kunde de producera kombinerade radio- och optiska kartor över Vintergatans spiralarmar. Varje arm är uppkallad efter de konstellationer som finns inom den.
Astronomer tror att rörelsen av materialet runt det galaktiska centrumet skapar densitetsvågor (områden med hög och låg densitet), ungefär som du ser när du rör om kaksmet med en elektrisk mixer. Dessa densitetsvågor tros orsaka galaxens spiralform.
Så genom att undersöka himlen i flera våglängder (radio, infraröd, synlig, ultraviolett, röntgen) med olika mark- och rymdbaserade teleskop kan vi få olika vyer av Vintergatan.
Ungefär som det höga ljudet från en brandbilssiren blir lägre när lastbilen rör sig iväg, påverkar stjärnornas rörelse våglängderna av ljus som vi får från dem. Detta fenomen kallas dopplereffekten.
Vi kan mäta dopplereffekten genom att mäta linjer i en stjärnas spektrum och jämföra dem med spektrumet för en standardlampa. Storleken på Dopplerskiftet berättar hur snabbt stjärnan rör sig i förhållande till oss.
Dessutom kan riktningen för dopplerskiftet berätta för oss riktningen för stjärnans rörelse. Om en stjärnas spektrum förskjuts till den blå änden, rör den sig mot oss; om spektrumet förskjuts till den röda änden, rör sig stjärnan bort från oss.
Enligt Hubbles klassificeringssystem är Vintergatan en spiralgalax, även om nyare kartläggningsbevis tyder på att det kan vara en spiralgalax.
Vintergatan har mer än hundratals miljarder enskilda stjärnor. Den är cirka 100 000 ljusår i diameter och solen ligger cirka 28 000 ljusår från centrum. Om vi tittar på Vintergatans struktur som den skulle se ut från utsidan kan vi se vissa delar.
Vintergatans skiva består av både gamla och unga stjärnor, med rikligt med gas och damm. Stjärnor på skivan kretsar runt det galaktiska centrumet i nästan cirkulära banor, med lätt vertikal rörelse på grund av gravitationsinteraktioner, som liknar karusellhästar.
Skivan har tre regioner:kärnan i mitten, utbuktningen runt kärnan som sträcker sig något över och under skivans plan och spiralarmarna som strålar utåt. Vårt solsystem är beläget i en av dessa armar, närmare bestämt Orion-armen. Andra armar inkluderar Perseus Arm, Skytten Arm och Scutum-Centaurus Arm.
Flera hundra klothopar är utspridda över och under den galaktiska skivans plan och kretsar runt det galaktiska centrumet i elliptiska banor med slumpmässigt spridda riktningar.
Stjärnorna i dessa hopar är betydligt äldre jämfört med de på den galaktiska skivan, och hoparna innehåller lite eller inget gas och damm.
Halon, ett stort, dunkelt område som omger galaxen, består av het gas, mörk materia och gamla stjärnor. Trots den skenbara massan i galaxens skiva och centrum visar rotationskurvor att de flesta massan finns i halon, vilket tyder på mörk materias närvaro.
Vintergatans gravitation påverkar två satellitgalaxer, de stora och små magellanska molnen, som är synliga från södra halvklotet och kretsar i olika positioner runt hela vår galax.
Det stora magellanska molnet, cirka 14 000 ljusår i diameter och 163 000 ljusår bort, kan förlora gas och damm till Vintergatan på grund av gravitationsinteraktioner.
Astronomer använder enheter som fotometrar på teleskop för att mäta en stjärnas ljusstyrka. Genom att känna till en stjärnas ljusstyrka och avstånd kan de beräkna dess ljusstyrka med formeln:ljusstyrka =ljusstyrka x 12,57 x (avstånd)².
Ljusstyrkan kan också indikera en stjärnas avstånd från jorden. Stjärnor som RR Lyrae och Cepheid variabler, som ändrar ljusstyrka förutsägbart, fungerar som riktmärken.
För att bestämma ljusstyrkorna i klothoparna mätte Shapely ljusstyrkan för RR Lyrae-stjärnorna i hoparna. När han väl kände till ljusstyrkorna kunde han beräkna deras avstånd från jorden.
Vi nämnde tidigare att astronomer har uppskattat antalet stjärnor i Vintergatan från mätningar av galaxens massa. Men hur mäter man massan av en galax? Du kan uppenbarligen inte sätta det på en skala. Istället använder du dess omloppsrörelse.
Från Newtons version av Keplers tredje lag om planetrörelse, omloppshastigheten för ett objekt i cirkulär bana och en liten algebra, kan du härleda en ekvation för att beräkna mängden massa (Mr) som ligger inom en cirkulär bana med en radie (r) ):
För Vintergatan ligger solen på ett avstånd av 2,6 x 10²⁰ meter (28 000 ljusår) och har en omloppshastighet på 2,2 x 10⁵ meter/sekund (220 km/s), vi får att 2 x 10⁴⁹ kg ligger inom solens bana.
Eftersom solens massa är 2 x 10³⁰, måste det finnas 10¹¹, eller cirka 100 miljarder, solmassor (solliknande stjärnor) inom dess omloppsbana. När vi lägger till den del av Vintergatan som ligger utanför solens bana får vi ungefär 200 miljarder stjärnor.
Den här artikeln har uppdaterats i samband med AI-teknik, sedan faktagranskad och redigerad av en HowStuffWorks-redaktör.
