22 min

Söker galaxernas ursprung längst bort i universum 

Redan som barn fascinerades Kirsten Kraiberg Knudsen av rymden. Idag forskar hon om några av astronomins stora frågor. En utmaning är att förstå varifrån galaxerna kommer, hur de utvecklas och varför de ser ut som de gör.

Kirsten Kraiberg Knudsen 

Professor i astronomi 

Wallenberg Academy Fellow/Wallenberg Scholar 

Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola 

Forskningsområde:
Bildning och utveckling av galaxer 

När Kirsten Kraiberg Knudsen var i tioårsåldern inträffade en speciell händelse som väckte hennes intresse för rymden. År 1986 passerade Halleys komet jorden, vilket inträffar endast vart 76:e år.

– Det var då jag på allvar började förstå att rymden är mycket, mycket större än jorden och vårt eget solsystem.

Nyfikenheten på de stora frågorna ledde fram till en akademisk karriär. Idag är Knudsen professor i astronomi på Chalmers i Göteborg. 

– Ytterst handlar astronomin om att söka kunskap om vårt eget ursprung. Det är roligt att kunna bidra med några bitar till detta svåra pussel.

En huvudfråga handlar om hur galaxer bildas och utvecklas. För att förstå galaxernas utseende idag så är det nödvändigt att göra en tidsresa till universums begynnelse.

– Det händer mycket under den tidiga fasen. Om vi kan lära oss mer om utvecklingen under universums första en till tre miljarder år så får vi också en insikt om varför galaxer ser ut som de gör idag.

”Det betyder mycket att få stöd från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. Anslaget ger mig en frihet att utforska frågor som är relevanta. Jag får också en unik möjlighet att utveckla mitt ledarskap, att bygga upp en forskarmiljö och skapa ett internationellt nätverk.”

Forskning i astronomi har vissa likheter med arkeologi, påpekar hon.

– Vi flyttar hela tiden gränsen för hur långt tillbaka vi kan titta. Den mest avlägsna galax som vi hittills har observerat hör hemma vid en tidpunkt cirka 400 miljoner ljusår efter Big Bang, alltså för cirka 13,3 till 13,4 miljarder år sedan. Man pratar ibland om vår gren av astronomin som en sorts arkeologi.

Vintergatan är vår galax 

I universum finns cirka två hundra miljarder galaxer, eller kanske ännu fler. Vår egen galax kallas Vintergatan, en jättestor galax som består av flera hundra miljarder stjärnor. Men det finns också betydligt mindre galaxer som innehåller allt från några tiotusentals till cirka hundra miljarder stjärnor.

Forskarna delar in galaxer utifrån formen. Vintergatan är en så kallad spiralgalax med mycket gas och när gasen trycks ihop bildas nya stjärnor. Andra galaxer är elliptiska och innehåller många gamla stjärnor men saknar gas, vilket gör att inga nya stjärnor bildas. Gemensamt för alla stora galaxer är också att de har supermassiva svarta hål i centrum.

Knudsen tittar bland annat på kvasarer, som är extremt ljusstarka, aktiva galaxkärnor med centrala svarta hål som växer mycket snabbt genom att suga upp enorma mängder material från omgivningen. 

– En avgörande fråga är hur tillväxten av en galax hänger ihop med tillväxten av dessa svarta hål. Sker denna process samtidigt, eller växer det svarta hålet först och galaxen sen – eller är det tvärtom?

Verkligheten är komplicerad och forskarna behöver lära sig mer om olika övergångsfaser. Ett fenomen som studeras är kollisionen mellan två spiralgalaxer. När gasen trycks ihop uppstår en så kallad starburst, vilket innebär att mängder av stjärnor skapas på kort tid. 

– Det bildas en mix av kosmiskt damm, stjärnor och gas. Hela detta moln av partiklar tar bort ljuset och gör det svårt för oss att se vad som händer bakom. Mycket aktivitet koncentreras till ett litet område och det supermassiva svarta hålet växer.

Efter att kvasaren har bildats avstannar det dramatiska skeendet i galaxen. Inga nya stjärnor bildas, de gamla stjärnorna fortsätter att växa och i slutänden har galaxen fått en elliptisk form. Denna beskrivning är en modell för galaxutvecklingen, men att koppla ihop de olika faserna är en stor utmaning.

– En av de mer kända galaxerna, M87, är ett bra exempel på hur en sådan galax till slut kommer att se ut. Från den har vi också en fin bild av ett svart hål.

Oväntade resultat från ALMA

Flera studier baseras på data från ALMA-teleskopet, som ligger på femtusen meters höjd i Chiles öken. Anläggningen invigdes 2013 och samlar in radioastronomisk information med våglängder i millimeterområdet som gör det möjligt att skilja på gamla och nya stjärnor, och som dessutom möjliggör studier av kvasarer.

– ALMA är ett helt fantastiskt teleskop som har gjort det möjligt att ta fram en mängd olika och oväntade resultat.

En önskan är att erhålla så rena signaler som möjligt, men upplösningen är en av stötestenarna.

– Vi är vana att få se snygga bilder från rymden, men i de bilder vi analyserar syns framför allt klumpar i olika ljus och färger.

Knudsen visar en bild av en galax under utveckling. I en röd del kan man urskilja att något rör sig i form av en skiva, vilket påminner om vad man kan se i spiralgalaxer.

– Vi vet inte om det är gas som flödar utåt eller om det är gas som roterar. Den inre delen, som på bilden är gulvit, är kvasaren som håller på att växa till sig. Men om vi hade tid att vänta i cirka fem till tio miljoner år så skulle den röda delen, starburst, vara borta och då skulle mycket se annorlunda ut. Men livet är alldeles för kort för det. 

En lösning är att göra en mängd observationer i olika tidsskalor. Dessa data kopplas ihop med teorier, befintlig kunskap om galaxer och grundläggande fysik om ljus och energi för att bygga generella modeller.

– Vi kopplar ihop olika processer för att få en bred bild. Vi försöker hela tiden bli bättre på att förstå vad som är typgalaxer.

Knudsen fortsätter att fascineras av rymden. Kunskapen utvecklas snabbt, säger hon.

– Vi har gått från en bild av att universum var fixerat till att man för hundra år sen förstod att Vintergatan bara är en galax av flera hundra miljarder och nu kan vi till och med börja se det första ljuset och universums första steg. Trots att vi inte kan resa så långt bort, kan vi ändå få ett perspektiv på vårt ursprung. 

Text Nils Johan Tjärnlund 
Bild Johan Wingborg

 

Mer om Kirsten Kraiberg Knudsens forskning