Samanyolu'nun yapısı: çubuk, sarmal kollar ve hale

Samanyolu'nun biçimini çıkarmak, içinde bulunduğumuz için zordur. Yine de farklı dalga boylarında yapılan sayımlar, gaz hız ölçümleri ve Gaia gibi uyduların konum verileri, galaksimizin iç mimarisinin ana hatlarını ortaya koymuştur: ortada bir şişkinlik ve çubuk, çevresinde ince bir disk ve içinde sarmal kollar, hepsini saran bir yıldız halesi ve onun da ötesine uzanan karanlık madde halesi.

Disk: ince, kalın ve içindeki her şey

Galaksinin yıldızlarının çoğu, çapı 26,8 ± 1,1 kiloparsek (87.400 ± 3.600 ışık yılı) olan bir diskte bulunur. Disk tek parça değildir, iki bileşen halinde düşünülür:

• İnce disk: Kalınlığı 220 – 450 parsek (718 – 1.470 ışık yılı). Genç yıldızlar, gaz ve toz buradadır; yıldız oluşumu bu katmanda sürer.
• Kalın disk: Kalınlığı 2,6 ± 0,5 kiloparsek (8.500 ± 1.600 ışık yılı). Daha yaşlı ve metal bakımından daha yoksun yıldızlar barındırır.

Güneş, diskin orta düzlemine çok yakın bir yerde, düzlemden yalnızca 5 – 30 parsek (16 – 98 ışık yılı) yukarıda durur ve merkezden 27,14 ± 0,46 bin ışık yılı uzaktadır.

Merkez: şişkinlik ve çubuk

Diskin ortasında yıldızların yoğunlaştığı bir şişkinlik, onun içinde de uzun bir çubuk yapısı vardır. Çubuğun uzunluğu için verilen tahminler 1 – 5 kiloparsek arasında değişir (kısa çubuk mu, uzun çubuk mu tartışması) ve bakış doğrultumuzla yaptığı açı 10 – 50 derece aralığında verilir. Bu geniş aralık, çubuğu diskin içinden ölçmenin güçlüğünü yansıtır.

Merkezin en iç bölgesi olağanüstü kalabalıktır: galaksi merkezinin bir parsek yarıçapı içinde yaklaşık 10 milyon yıldız bulunur. Bu yıldızların çoğu kırmızı devdir; aralarında ağır süperdevler ve Wolf–Rayet yıldızları da vardır. Tam ortada süper kütleli kara delik Sagittarius A* yer alır; ayrıntısı kendi sayfasındadır.

Merkezi görünür ışıkta görmek neredeyse imkânsızdır, çünkü araya giren toz ışığı soğurur. Walter Baade, 1940'larda toz şeritlerinde bir derece genişliğinde bir boşluk buldu; bugün Baade Penceresi denen bu açıklık, merkez bölgesini görünür ışıkta incelemenin ender yollarından biri oldu.

Sarmal kollar

Samanyolu'nda dört ana sarmal kol tanımlanır: baskın iki kol Scutum–Centaurus ve Perseus, ikincil iki kol ise Norma ve Sagittarius kollarıdır. Güneş'in içinde bulunduğu Orion kolu (Yerel Kol) ise daha küçük bir yapı olarak tanımlanır — ana kollardan biri değil, aralarında uzanan bir mahmuz.

Kolların geometrisi de ölçülmüştür: açılma açısı (pitch angle) yaklaşık 12 derece, genişlikleri ise yaklaşık 800 parsektir.

Kollar neden dağılmıyor: yoğunluk dalgası

Sarmal kolların varlığı, uzun süre bir bilmeceydi. Daha 1896'da fark edilmişti ki, eğer kollar maddeden yapılmış sabit yapılar olsaydı, galaksinin farklı yarıçaplarda farklı hızlarda dönmesi (diferansiyel dönme) onları çok hızla dolaştırıp tanınmaz hale getirirdi. Buna sarılma problemi denir.

1964'te C. C. Lin ve Frank Shu, sorunu çözen fikri önerdi: sarmal kollar madde yığınları değil, yoğunluk dalgalarıdır. Yani kollar, diskte dolaşan sıkışma bölgeleridir; yıldızlar ve gaz bu bölgelerden geçerken yavaşlar ve yoğunlaşır. Bir otoyoldaki trafik sıkışmasına benzer: sıkışma yerinde durur, arabalar içinden geçer. Bu yüzden galaksinin sarmal deseni (220 – 360 milyon yıllık dönme süresiyle), yıldızların kendi dolanımından farklı bir hızda döner.

Kollar yıldız oluşumunun yoğunlaştığı yerlerdir: gaz sıkıştığı için bulutlar çöker ve yeni, sıcak, mavi yıldızlar doğar. Sarmal kolları diğer galaksilerde bu kadar belirgin görmemizin nedeni de budur — asıl parlayan şey kolun kendisi değil, orada doğan genç yıldızlardır.

Hale: yıldızlar, sıcak gaz ve karanlık madde

Diskin dışında, galaksiyi neredeyse küresel biçimde saran bir hale vardır ve üç bileşenle tanımlanır.

• Yıldız halesi: Tek tek yıldızlar ve küresel kümelerden oluşur. Galaksinin yıldız kütlesinin yalnızca yüzde biri kadarını barındırır. Buradaki yıldızlar yaşlıdır — çoğu 12 milyar yıldan eski — ve metal bakımından yoksundur; yıldız oluşumu halede çok uzun süre önce durmuştur. Kinematiği de farklıdır: radyal hız dağılımı saniyede 200 kilometre dolayında, dönme hızı ise yalnızca 50 kilometre/saniye civarındadır. Yani hale dönmez, savrulur. Samanyolu'nun halesinin büyük bölümünün, geçmişte yutulmuş bir cüce galaksiden (“Gaia Sosisi”) türediği düşünülüyor.
• Galaktik korona: Çok seyrek, sıcak gaz. Nötr hidrojenin salma tayfıyla ve X-ışın tayfölçümüyle saptanır.
• Karanlık madde halesi: Kütlece diğer bileşenlerin hepsinden çok daha büyüktür ve görünen galaksinin çok ötesine uzanır; çapı 584 ± 122 kiloparsek olarak tahmin edilir. Sayısal benzetimlerden türeyen Navarro–Frenk–White profili, yoğunluk dağılımı için yaygın kabul gören modeldir.

Samanyolu'nun küresel kümelerinin sayısı 150 – 200 aralığında verilir; bunlar galaksinin en yaşlı yapılarıdır ve halede dağılmış durumdadır.

Fermi balonları

2010'da Fermi gama ışını uydusunun verilerinde beklenmedik bir yapı bulundu: galaksi merkezinin üstünde ve altında, yüksek enerjili plazmadan oluşan iki büyük elips biçimli lob. Bu Fermi balonları, merkezden yaklaşık 25.000 ışık yılı yukarı ve aşağı uzanır. Kökenleri hâlâ tartışılıyor: merkezdeki kara deliğin geçmişteki bir etkinlik döneminden mi, yoksa yoğun bir yıldız oluşumu patlamasından mı kaynaklandıkları netleşmemiştir.

Açık sorular

Yapının ana hatları yerleşmiş olsa da ayrıntılarda belirsizlik sürüyor. Çubuğun uzunluğu için verilen 1 – 5 kiloparsek aralığı hâlâ geniştir. Sarmal kolların kaç tane olduğu ve hangi kolun ne kadar belirgin olduğu, diskin içinden bakmanın kaçınılmaz sonucu olarak tartışmalıdır. Karanlık madde halesinin kütlesi ve uzanımı da birkaç kat belirsizlik taşır — bu, Samanyolu'nun uydu galaksilerinin yörüngelerini ve gelecekteki Andromeda çarpışmasının ayrıntılarını doğrudan etkileyen bir soru.

Kısaca

• Samanyolu'nun diski 87.400 ışık yılı çapında; ince disk 718–1.470, kalın disk 8.500 ışık yılı kalınlığında.
• Merkezde bir şişkinlik ve 1 – 5 kiloparsek uzunluğunda bir çubuk var; en iç parsekte yaklaşık 10 milyon yıldız bulunuyor.
• Dört ana kol tanımlanır: Scutum–Centaurus ve Perseus (baskın), Norma ve Sagittarius (ikincil); Güneş küçük Orion kolundadır.
• Kollar maddeden değil yoğunluk dalgalarından oluşur; bu fikri 1964'te Lin ve Shu önerdi ve sarılma problemini çözdü.
• Yıldız halesi, galaksinin yıldız kütlesinin yalnızca %1'ini barındırır ama en yaşlı (12 milyar yıldan eski) yıldızları içerir.
• Karanlık madde halesinin çapı 584 ± 122 kiloparsek olarak tahmin ediliyor.
• Merkezin üstünde ve altında 25.000 ışık yılı uzanan Fermi balonlarının kökeni hâlâ tartışmalı.

Kaynaklar: Wikipedia — Milky Way, Wikipedia — Galactic Center, Wikipedia — Galactic halo, Wikipedia — Spiral arm, Wikipedia — Messier 87