När du tittar upp på himlen en mörk kväll ser du bara en liten, liten del av universum. De ljusa prickarna är stjärnor. Som vår egen stjärna, solen. Solen är faktiskt en ganska vanlig stjärna. Runt många stjärnor kretsar planeter, precis som jorden kretsar runt solen. Men hur tänds en stjärna? Hur kan vi hitta planeter runt andra stjärnor? Och vad händer när en stjärna slocknar? I det här kapitlet ska vi resa ut från vår egen galax och undersöka vad som finns där. Bland alla galaxerna finns några av de märkligaste objekten i universum: svarta hål.

[Bild på ett svart hål]

Det är svårt att förstå hur otroligt stort universum är. Det innehåller flera miljarder galaxer. Och en galax är en stor samling av stjärnor, ofta flera hundra miljarder. I en av dessa galaxer bor vi. Vår galax kallas för Vintergatan. Solen är en av stjärnorna i Vintergatan, en ganska vanlig liten stjärna. Runt solen finns vår planet, jorden och de sju andra planeterna. Det finns planeter runt andra stjärnor också. De kallas exoplaneter.

Solen är ungefär 4,6 miljarder år gammal och kommer att fortsätta lysa i flera miljarder år till. Stjärnor tänds när stora moln av gas dras ihop av tyngdkraften. När gasen pressas ihop blir den mycket varm. Så varm att fusion kan börja i stjärnans centrum. Då slås små atomkärnor ihop och energi frigörs. Det är den energi som gör att stjärnan lyser.

Stjärnor förändras när de blir gamla. Vad som händer beror på hur stor stjärnan är. En stjärna som solen blir till slut en röd jätte och sedan en vit dvärg. Mycket tunga stjärnor kan explodera i en supernova. Då kan många olika grundämnen bildas och spridas ut i rymden. Vi har alla atomer i oss som skapats i tidigare stjärnor!

Vissa mycket tunga stjärnor kan till slut bilda svarta hål. Ett svart hål är ett område där tyngdkraften är så stark att inte ens ljus kan komma ut. Gränsen runt det svarta hålet kallas händelsehorisonten. Vi kan inte se ett svart hål direkt, men vi kan se hur det påverkar stjärnor, materia och ljus runt omkring.

Från en liten, liten planet som rör sig runt en ganska vanlig stjärna kan vi blicka ut i universum. Ett universum som hela tiden förändras. Nya stjärnor tänds, andra stjärnor slocknar och galaxer rör sig genom rymden. Forskare försöker fortfarande förstå många av de frågor som finns om universum.

 Vi vet mycket om hur stjärnor tänds och hur galaxer och svarta hål fungerar. Men det finns fortfarande många frågor utan svar. Kanske några av dagens elever hittar en del av svaren!

Stjärnor tänds ur stora moln av gas. Gasen består framför allt av väte och helium. Ibland blir gasen tätare på vissa platser. Då blir tyngdkraften starkare och drar ihop gasen. När gasen pressas samman blir den också varmare. Så småningom samlas så mycket gas att en varm och tät kärna bildas. Den kallas en protostjärna – alltså en stjärna som ännu inte riktigt har tänts.

När mer gas faller in ökar både massan och tyngdkraften. Temperaturen i mitten stiger mer och mer. Om protostjärnan blir tillräckligt tung blir det till slut så varmt i mitten att fusion kan börja. Vid fusion slås små atomkärnor ihop till större. När vätekärnor slås ihop bildas helium. En liten del av massan omvandlas samtidigt till energi. Den energin gör att stjärnan kan lysa och hålla igång under mycket lång tid.

Nu har protostjärnan blivit en riktig stjärna.

Om en klump av gas inte är tillräckligt tung för att fusionen ska komma i gång bildas i stället en brun dvärg. Den blir aldrig en vanlig stjärna.

Inuti en stjärna

En stjärna består av mycket het gas som kallas plasma. Längst in finns kärnan. Där är temperaturen högst och där sker fusionen. Energin som bildas i kärnan måste ta sig ut mot stjärnans yta. I olika delar av stjärnan transporteras energin på olika sätt. Till slut når energin stjärnans yta, som kallas fotosfären. Därifrån strålar ljuset ut i rymden. Utanför ytan finns stjärnans atmosfär. Den består också av plasma och delas in i olika delar, bland annat kromosfären och koronan.

Solen är den stjärna som betyder mest för oss. Den är ungefär 4,6 miljarder år gammal och kommer att fortsätta lysa i flera miljarder år till. Solen är enorm jämfört med jorden. Dess massa är ungefär 330 000 gånger större än jordens och radien är omkring 700 000 kilometer.

På solens yta är temperaturen ungefär 5 500 °C. I kärnan är temperaturen omkring 15 miljoner °C. Jorden ligger ungefär 150 miljoner kilometer från solen. Det avståndet kallas en astronomisk enhet, förkortat AU [blåtext].

Ljuset från solen färdas med mycket hög hastighet. Trots det tar det ungefär åtta och en halv minut för solljuset att nå jorden. Det betyder också något lite märkligt: om solen plötsligt skulle försvinna skulle vi inte märka det direkt. Först efter ungefär åtta och en halv minut skulle vi märka att solen hade försvunnit från himlen.

Var kommer alla tunga atomer ifrån?

När en stjärna blir äldre minskar mängden väte i dess kärna. Vätet omvandlas till helium genom fusion och då frigörs stora mängder energi. Energin hjälper till att hålla stjärnan varm och skapar ett tryck utåt som balanserar gravitationen som drar stjärnans materia inåt. Så länge det finns gott om väte i kärnan kan denna balans finnas kvar. Men förr eller senare börjar vätet i kärnan ta slut och stjärnan förändras. Vad som sedan händer beror framför allt på hur stor massa stjärnan har.

Röd jätte och vit dvärg

Solen är ungefär halvvägs genom sitt liv. Om flera miljarder år kommer den att förändras och svälla upp till en röd jätte. När solen blir en röd jätte kommer den att växa så mycket att Merkurius och Venus slukas. Jorden kommer också att påverkas kraftigt.

Solen är inte tillräckligt tung för att fortsätta fusionen ända fram till järn. Till slut tar bränslet slut och tyngdkraften gör att den innersta delen av solen dras ihop. Kvar blir en mycket tät och het vit dvärg. Den har inte längre någon fusion i kärnan, men den är fortfarande mycket varm och fortsätter att lysa under lång tid. Till slut svalnar den och blir allt svagare.

Supernova

Stjärnor med mycket större massa än solen går ett våldsammare öde till mötes.

I stora stjärna kan fusionen fortsätta och bilda allt tyngre grundämnen. Till slut kan järn bildas i stjärnans kärna. Här uppstår ett problem. När vi försöker slå ihop järnkärnor får vi inte längre ut energi. Stjärnan kan därför inte fortsätta på samma sätt. Tyngdkraften tar över och stjärnans kärna kollapsar. En enorm mängd energi frigörs och stjärnan exploderar i en supernova.

En supernova kan under en kort tid lysa starkare än en hel galax!

Supernovor är också viktiga på ett annat sätt. Många av de grundämnen som finns omkring oss bildades i tidigare stjärnor och i våldsamma händelser som supernovor. Ämnena spreds ut i rymden och kunde senare bli en del av nya stjärnor, planeter och till slut även oss människor.

Det betyder att ämnena i våra kroppar en gång kan ha funnits inuti en stjärna.

Hur bildas planeter? I vårt eget solsystem finns flera olika planeter som skapades för länge sedan. Jorden och Mars är stenplaneter som är ganska små, medan Jupiter och Saturnus är stora gasjättar. Ännu längre ut i solsystemet hittar vi isjättarna Uranus och Neptunus. Men hur bildas egentligen en planet?

I förra stycket lärde vi oss att stjärnor bildas när gravitationen drar ihop stora gasmoln. Om gasmolnet kollapsar inåt ökar densiteten och till slut bildas början till en stjärna. På samma gång bildas planeterna som snurrar runt stjärnan. 

Gasen faller nämligen inte rakt in i den unga stjärnan. Istället snurrar den runt stjärnan. Eftersom gasen roterar bildas en tunn, platt skiva runt stjärnan. Det är i den här skivan planeter blir till. Skivan består mest av väte och helium, men innehåller också små mängder tyngre ämnen som kol, kväve och syre. Allt det här är byggmaterial till planeter. Sådana gas-skivor finns bara kvar i några miljoner år. Gas och fast material rör sig inåt och faller till slut in i stjärnan. Planeter måste alltså bildas innan byggmaterialet försvinner.

Först växer små partiklar som kolliderar och fastnar i varandra. Så bildas millimeterstora småstenar. Men större klumpar är svårare att bilda, eftersom småstenar ofta studsar bort från varandra eller går sönder. I skivan beter sig gas, stoft och småsten olika. Trycket och gravitationen påverkar gasen. De små stoftpartiklarna följer med gasen ungefär som damm följer vinden. Men småstenar är för stora för att helt svepas med. De ”sjunker” istället mot mitten av skivan. Småstenarna rör sig snabbare än gasen, och därför utövar gasen ett slags luftmotstånd på dem. Luftmotståndet från gasen gör att småstenarna rör sig i en spiral in mot stjärnan.

Om inget mer händer kommer alla småstenarna till slut att falla in i stjärnan, och då blir det ingen planet. Men precis som när stjärnor bildas ur gasmoln så kan småstenarna av olika anledningar klumpa ihop sig i tätare områden.Om det samlas tillräckligt mycket småsten på ett ställe kan deras egen gravitation börja dra ihop dem. Då kan ungefär 100 kilometer stora klumpar bildas.

De är små jämfört med planeter, men tillräckligt stora för att inte längre bromsas så mycket av gasen. Därför rör de sig inte längre in mot stjärnan, som småstenarna gör. De här klumparna är planeternas byggstenar. Asteroider och kometer är rester av sådana objekt från solsystemets barndom.

Genom att de krockar med varandra och samlar upp mer småsten växer klumparna. När en klump blir lika stor som månen kallas det en protoplanet.

Det finns olika sorters planeter, och vad som bildas beror på hur mycket material som finns och hur snabbt de växer. Stenplaneter som jorden, Mars, Venus och Merkurius blev aldrig tillräckligt stora och massiva för att samla på sig mycket gas. Det kan bero på att de växte för långsamt eller att det fanns för lite byggmaterial. Om en planet blir ungefär tio gånger så massiv som jorden kan den börja dra till sig gas. Finns det bara lite gas kvar blir den en isjätte, som Uranus eller Neptunus. Finns det mycket gas kvar kan den bli en gasjätte som Jupiter eller Saturnus.

Om det finns hundratals miljarder stjärnor bara i Vintergatan är det rimligt att fundera på om de också har planeter. Kanske finns det fler planeter som det går att bo på? Planeter som kretsar runt andra stjärnor än solen kallas exoplaneter. Den första exoplaneten upptäcktes 1992. Sedan dess har forskare hittat tusentals fler. De kan vara mycket olika varandra. Vissa är stora gasplaneter, ungefär som Jupiter, medan andra är steniga som jorden.

Men hur kan vi hitta en planet som ligger så långt bort att vi inte ens kan se den direkt?

Ett sätt är att studera hur planeten påverkar sin stjärna. Planeten dras av stjärnans tyngdkraft, men stjärnan dras också lite av planeten. Därför rör sig stjärnan en aning fram och tillbaka när planeten kretsar runt den. Den lilla rörelsen går att mäta.

En annan metod är att vänta på att planeten ska passera framför sin stjärna. Då blockeras en liten del av stjärnans ljus och den ser tillfälligt lite svagare ut. På det sättet kan vi upptäcka planeter som vi inte kan se direkt.

Forskare kan också undersöka ljus som kommer från planetens atmosfär. Genom att studera ljuset kan de få reda på vilka ämnen som finns där. Hos några exoplaneter har man hittat bland annat vatten, koldioxid och metan. Det gör exoplaneter extra spännande. Vi vet att liv på jorden behöver flytande vatten. Därför letar forskare efter planeter där temperaturen kan vara lagom för att vatten ska kunna finnas i flytande form.

Det betyder inte att vi har hittat liv på någon exoplanet. Men ju fler planeter vi upptäcker, desto mer vet vi om hur vanliga planeter är och om platser som kanske kan passa för liv.

Jorden kretsar runt solen. Tillsammans med de andra planeterna i vårt solsystem – Merkurius, Venus, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus – bildar vi ett planetsystem.

Solen är en stjärna, och många andra stjärnor har också planeter som kretsar runt dem. En galax är en enorm samling av stjärnor, planeter, gas, stoft och mörk materia. Allt hålls ihop av tyngdkraften.

Vi bor i en galax som heter Vintergatan. Den är ungefär 13,6 miljarder år gammal och omkring 100 000 ljusår bred. Vintergatan är en spiralgalax. Det betyder att den har stora armar som sträcker sig ut från mitten. Vårt solsystem ligger ungefär 27 000 ljusår från Vintergatans centrum. Det tar solen och vårt solsystem mer än 200 miljoner år att färdas ett varv runt galaxens centrum. Det betyder att den senaste gången vi befann oss på ungefär samma plats i Vintergatan som nu hade de första dinosaurierna precis börjat dyka upp på jorden.

Vintergatan innehåller väldigt många stjärnor, kanske mellan 100 och 400 miljarder. Många av dem kan ha egna planetsystem. Nya stjärnor föds fortfarande i galaxens spiralarmar, där stora moln av gas kan dras ihop av tyngdkraften. Och Vintergatan är bara en av många galaxer. I den del av universum som vi kan se finns det hundratals miljarder galaxer. Vår närmaste stora granngalax heter Andromedagalaxen. Om ungefär fyra miljarder år väntas Vintergatan och Andromeda börja smälta samman till en större galax.

Galaxer ligger dessutom inte utspridda helt slumpmässigt. De samlas i stora grupper som kallas galaxhopar. På ännu större avstånd bildar galaxerna och galaxhoparna väldiga strukturer som sträcker sig över miljarder ljusår.

Bland de märkligaste objekten i universum finns svarta hål.

Trots namnet är ett svart hål inte ett hål i vanlig mening. Det är ett område där så mycket massa finns samlad att tyngdkraften blir extremt stark. Många svarta hål bildas när mycket tunga stjärnor dör. När stjärnan inte längre kan hålla emot sin egen tyngdkraft kan kärnan pressas ihop mycket kraftigt. I vissa fall bildas då ett svart hål.

Händelsehorisonten

Runt ett svart hål finns en gräns som kallas händelsehorisonten. När något väl har passerat händelsehorisonten kan det inte komma tillbaka ut. Inte ens ljus kan ta sig därifrån. Det är därför svarta hål är svarta: inget ljus från innanför händelsehorisonten kan nå oss.

Vi kan använda vår idé om flykthastighet för att få en första förståelse av detta. Om ett föremål pressas ihop tillräckligt mycket blir flykthastigheten till slut så hög att den skulle behöva vara större än ljusets hastighet för att ta sig därifrån. Enligt Einsteins relativitetsteori kan inget färdas snabbare än ljuset. Om vi pressade ihop hela solen till en kula med en radie på ungefär tre kilometer skulle den kunna bli ett svart hål. Solen kommer aldrig att göra det. Den är inte tillräckligt tung för att sluta sitt liv som ett svart hål.

Supermassiva svarta hål

Det finns också svarta hål som är mycket, mycket större än de som bildas när en stjärna dör. I centrum av Vintergatan finns ett sådant svart hål som kallas Sagittarius A*. Det har en massa som är ungefär fyra miljoner gånger större än solens. Hur sådana enorma svarta hål bildades är fortfarande en fråga som forskare försöker förstå. Vi vet att svarta hål kan växa genom att dra till sig gas och annan materia. Två svarta hål kan också slå ihop och bilda ett ännu större svart hål. När två svarta hål kolliderar händer något märkligt. En del av deras massa omvandlas till energi och skickas ut som gravitationsvågor.

Gravitationsvågor

Enligt Einsteins teori är rum och tid inte helt separata. Tillsammans bildar de det som kallas rumtid. Tunga objekt påverkar rumtiden. När mycket tunga objekt rör sig snabbt kan förändringar i rumtiden spridas ut genom rymden som vågor. Dessa kallas gravitationsvågor. År 2015 lyckades forskare för första gången direkt mäta gravitationsvågor från två svarta hål som hade kolliderat. De två svarta hålen hade tillsammans en massa motsvarande ungefär 65 solar. Det nya svarta hålet hade en massa motsvarande ungefär 62 solar. De tre solmassor som saknades hade inte försvunnit. De hade omvandlats till energi och skickats ut som gravitationsvågor.

Hur hittar vi svarta hål?

Svarta hål syns inte direkt. Men vi kan se hur de påverkar det som finns runt omkring dem. I mitten av Vintergatan kan forskare till exempel följa hur stjärnor rör sig runt ett osynligt objekt. Genom att studera deras rörelser kan vi räkna ut att det måste finnas ett mycket tungt objekt där. Vi kan också studera materia och strålning nära svarta hål.

Ett annat sätt är att undersöka hur ljus påverkas av den starka tyngdkraften. Ljus som passerar nära ett tungt objekt kan böjas. Detta kallas gravitationsbrytning. På så sätt kan ett svart hål påverka hur en stjärna längre bort ser ut för oss. År 2019 lyckades forskare med hjälp av Event Horizon Telescope dessutom skapa den första bilden som visade skuggan av ett svart hål. Svarta hål är alltså inte bara något vi kan tänka oss fram till. Vi kan faktiskt upptäcka dem genom de spår de lämnar efter sig.