Tähtipopulaatiot kertovat galaksien kehityksestä

Spiraaligalaksi Messier 51 ja sen seuralaisgalaksi. Galaksin keskiosat ovat kellertävät, spiraalihaarat tas ovat etupäässä sinertävät johtuen kuumista ja lyhtyikäisistä tähdistä. Punertavat läikät spiraalihaaroissa ovat tähtiensyntyalueisiin liittyviä kaasupilviä, jotka kuumien tähtien valo saa hohtamaan. Kuva: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA).

Galaksin tähdet eivät ole yleensä syntyneet samaan aikaan. Ensimmäinen vihje tästä saatiin jo noin sata vuotta sitten, kun otettiin ensimmäiset värikuvat galakseista (tai oikeammin verrattiin kahdella eri värisellä suotimella otettuja kuvia keskenään) - esimerkiksi Messier 51 -galaksin keskiosat olivat kellertävät, spiraalihaarat sinertävät (Seares 1917, Popular Astronomy 25, 34).

Varsinaisesti tähtipopulaatiot esitteli Walter Baade, joka vuonna 1944 löysi Andromedan galaksin keskiosista ja sen elliptisistä seuralaisgalakseista ottamistaan valokuvista kirkkaita tähtiä, jotka olivat väriltään punertavia, vastaten lähinnä pallomaisten tähtijoukkojen tähtiä. Tämä poikkesi Auringon lähiympäristöstä, jossa kirkkaimmat tähdet ovat sinisiä (jo Oort oli vuonna 1926 esittänyt Linnunradasta löytyvän kaksi tähtipopulaatiota). Baade yleisti havaintonsa koskemaan kaikkia galakseja ehdottaen elliptisten galaksien koostuvan pelkästään ensin mainitusta populaatiosta, spiraaligalaksien sisältävän molempia (Baade 1944, Astrophysical Journal 100, 137).

Tavallisesti tähdet jaetaan kahteen populaatioon, populaatiot I ja II. Populaation I tähdet ovat nuoria tai korkeintaan keski-ikäisiä, ts. ne ovat korkeintaan muutamien miljardien vuosien ikäisiä. Spiraaligalakseissa ne sijaitsevat lähellä kiekon tasoa ja niillä on suhteellisen paljon raskaita alkuaineita (huom: kaikki tavalliset koostuvat kuitenkin pääosin vedystä ja heliumista). Oma keskustähtemme Aurinko kuuluu populaatioon I. Populaation II tähdet ovat vanhempia, kymmenestä miljardista vuodesta ylöspäin. Osa niistäkin on kiekossa, mutta ne muodostavat paksumman jakauman kuin populaation I tähdet. Tämän lisäksi niitä löytyy galaksien keskiosista, halosta ja pallomaisista tähtijoukoista. Populaation II tähdillä on hyvin vähän raskaita alkuaineita. Näiden kahden populaation lisäksi on esitetty olleen myös populaatio III, kaikkein ensimmäiset tähdet, jotka koostuivat käytännössä pelkästään alkuräjähdyksessä syntyneestä vedystä ja heliumista. Sen edustajia ei ole vielä kuitenkaan löytynyt.

Spiraaligalaksien haarat ovat usein siniset johtuen siitä, että niissä syntyvät kuumat ja kirkkaat tähdet ovat niin lyhytikäisiä, etteivät ne koskaan ennätä rataliikkeessään vaeltaa syntyhaaransa ulkopuolelle. Tämä ei tarkoita sitä, etteikö spiraalihaaroissa ole vanhempiakin populaation I tähtiä, niitä on itse asiassa enemmistö, mutta suurin osa valosta tulee lyhytikäisemmistä tähdistä.

Vuorovaikuttava galaksipari Arp 142. Alempana näkyvässä elliptisessä galaksissa ei ole pitkään aikaan ollut merkittävässä määrin tähtien muodostumista. Ylempänä oleva spiraaligalaksi on vuorovaikutuksen pahoin vääristämä. Siinä näkyvät siniset läiskät ovat merkkejä hyvin voimakkaasta tähtien muodostuksesta. Kuvassa näkyy myös paljon kauempana olevia galakseja. Kuva: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), rajattu uudelleen.

Linnunradan ja lähigalaksien tähtipopulaatiot kertovat paljon galaksien synnystä ja kehityshistoriasta. Joillakin galakseilla tähtien syntyä on tapahtunut vain yhtenä isona rysäyksenä galaksin varhaishistoriassa, minkä jälkeen se on tauonnut, ja jäljelle on jäänyt vain vanhoja tähtiä sisältävä järjestelmä. Joissakin galakseissa taas nähdään merkkejä useista kiihtyneen tähtien muodostuksen episodeista, joiden välissä voi olla useidenkin miljardien vuosien pituisia hiljaisempia kausia. Tällaiset aktiivisemman tähtien synnyn vaiheet voivat liittyä lähiohituksiin tai jopa sulautumisiin toisten galaksien kanssa. Monissa vuorovaikuttavissa galakseissa havaitaankin merkkejä voimakkaasta tähtien muodostuksesta. Tällainen voi näkyä populaatioanalyysissä piikkinä vielä kauan sen jälkeen kun muut merkit vuorovaikutuksesta ovat hävinneet.