Sekrety wielkiej spirali

Droga Mleczna należy do kategorii galaktyk spiralnych z poprzeczką, które dość często występują w kosmosie. Co ciekawe, istnieją galaktyki spiralne z poprzeczką i bez niej (tych drugich jest jeszcze więcej), a o tym, że nasza ma poprzeczkę, dowiedzieliśmy się dopiero pod koniec ubiegłego wieku. Oczywiście istnieją jeszcze zupełnie inne co do kształtu i właściwości typy galaktyk: eliptyczne, soczewkowate czy nieregularne. Spiralne jednak dominują.

Nasza Galaktyka ma grubość około tysiąca i średnicę nieco ponad 100 tys. l.ś. Kształtem przypomina mocno spłaszczony dysk z wyraźnym zgrubieniem w środku. Zawiera w swojej płaszczyźnie cztery wyraźne ramiona i kilka ramion mniejszych, a w jednym z tych mniejszych – w Ramieniu Oriona – znajduje się nasz Układ Słoneczny. W ramionach skupia się bardzo wiele gwiazd młodych i gros galaktycznego pyłu oraz gazu. Wszystko to obraca się wokół wspólnego środka masy i – obserwowane z odpowiedniej perspektywy – robi duże wrażenie. Wiemy o tym, ponieważ sami obserwujemy pod odpowiednim kątem bardzo podobne galaktyki do naszej, np. M77, NGC 6744 czy UGC 2885, zwaną Rubin’s Galaxy (od nazwiska słynnej amerykańskiej astronom Very Rubin). Naszej Galaktyki sami z zewnątrz niestety dostrzec nie możemy i raczej nigdy nie będziemy mogli tego zrobić – ale na podstawie obserwacji galaktyk bardzo podobnych potrafimy poprzez analogię ustalić wiele faktów dotyczących tego, co dzieje się tu, na miejscu. U nas.

Droga Mleczna zawiera mniej więcej 400 mld gwiazd, co warto podkreślić, ponieważ w wielu publikacjach podaje się inne wartości – np. 100 lub 200 mld. Obie są błędne i prawdopodobnie dotyczą tylko gwiazd zawartych w dysku galaktycznym. Tych rzeczywiście jest ok. 200 mld, ale równie wiele, a może nawet jeszcze więcej gwiazd znajduje się w tzw. galaktycznym halo. Te są niezwykle rozproszone – ponieważ samo halo jest gigantyczne – i trudno je dokładnie zliczyć. Obecnie jednak przyjmuje się, że wszystkich gwiazd w Drodze Mlecznej – i w halo, i w dysku – jest mniej więcej 400 mld. To niewyobrażalnie dużo, choć znacznie mniej niż choćby w przypadku naszej najbliższej galaktycznej sąsiadki, czyli Andromedy. Ta liczy najpewniej nawet bilion (czyli tysiąc miliardów) gwiazd!

Rodzi się spirala

Pytaniem, które od lat nurtowało badaczy nieba, było to, jak powstała spiralna struktura Drogi Mlecznej. A także: jak w ogóle galaktyki spiralne się tworzą? I skąd te spiralne ramiona? Otóż zupełnie niedawno w sukurs przyszły uczonym obserwacje innej bardzo podobnej galaktyki, a mianowicie NGC 1068, oznaczonej w katalogu Messiera symbolem M77. To też spiralna galaktyka, leżąca w odległości 47 mln l.ś. od nas w konstelacji Wieloryba. Badacze z Universities Space Research Association w Maryland w USA wykorzystali do jej obserwacji działającą na podczerwień kamerę HAWC+, zamontowaną w stratosferycznym obserwatorium SOFIA. Otóż udało im się dostrzec to, czego naocznie nie widać i czego wcześniej nie wykryto, a więc rozchodzące się dokładnie wzdłuż ramion spiralnych galaktyki linie silnego oddziaływania magnetycznego. Oczom naukowców ukazał się po raz pierwszy niezwykły obraz zagęszczonej grawitacją materii ramion – pyłu, gazu i gwiazd – oraz linii oddziaływania magnetycznego. Można je było zaobserwować tylko w podczerwieni.

Okazuje się więc, że grawitacja zagęszcza nie tylko materię galaktyczną i kształtuje ją w ramiona, ale też wyraźnie formuje rozkład oddziaływań magnetycznych i obrazy obu tych sił dokładnie się na siebie nakładają. Magnetyzm niejako przenika na wskroś ramiona galaktyczne na całych ich długościach i jest – jak badacze sądzą obecnie – głównym, poza samą grawitacją, sprawcą ich powstawania, a co za tym idzie – całej spiralnej struktury. Odkrycie to dotyczy nie tylko M77, lecz wszystkich galaktyk spiralnych, także naszej. Potwierdza ono jeszcze raz tezę o tym, że oddziaływania magnetyczne są kluczową siłą w kosmosie – równie ważną jak grawitacja. Wyniki tych obserwacji zostały omówione w jednym z grudniowych (2019 r.) wydań czasopisma „The Astrophysical Journal”.

Gwiazdy z galaktycznego centrum

Nasza Galaktyka – podobnie jak inne galaktyki spiralne – zawiera w samym centrum supermasywną czarną dziurę (w Drodze Mlecznej to tzw. źródło Sagittarius A*), o której wiele powiedzieć się nie da. Dalej bardzo blisko supermasywnej czarnej dziury znajduje się gęsty obszar zwany jądrową gromadą gwiazd, a jeszcze dalej – rozciągający się na aż 1000 l.ś. tzw. jądrowy dysk gwiazd. Struktury te tworzą razem tzw. zgrubienie centralne, które zawiera głównie stare gwiazdy II populacji oraz gromady kuliste. Już za zgrubieniem centralnym roztacza się cienki, choć rozległy dysk właściwy, zawierający głównie gwiazdy młodsze I populacji – w tym nasze Słońce – oraz ich liczne gromady otwarte.

Badaczy Drogi Mlecznej oczywiście interesuje wszystko, co w niej istnieje, jednak szczególnie ważne są dla nich obserwacje obszarów centralnych; to one bowiem w znacznej mierze decydują o losach całej Galaktyki. Stanowią silnik całej struktury. Obserwacje te są bardzo trudne, ponieważ zagęszczenie materii w obszarach tych jest gigantyczne, mimo to ostatnio udało się dokonać dwóch ważnych odkryć. Pierwsze poczyniono w Max-Planck-Institut für Astronomie w Heidelbergu w Niemczech i zostało zaprezentowane w jednym z grudniowych (2019 r.) wydań czasopisma „Nature Astronomy”. Otóż do niedawna uważano, że gwiazdy w bliskim centrum Galaktyki gwiazdowym dysku jądrowym powstawały w miarę regularnie przez miliardy lat. Kiedyś w większej liczbie, z czasem rzadziej, ale generalnie dysk ten tworzył się stale. Teraz okazuje się, że wcale tak nie było, bo gwiazdy te powstały w dwóch krótkotrwałych i niezależnych od siebie momentach. Pierwszy nastąpił mniej więcej 8 mld lat temu. Wówczas narodziło się aż 90% gwiazd dysku. Drugi zaistniał znacznie później, jakiś miliard lat temu, a wtedy powstało nieco ponad 5% gwiazd. Czas między nimi, czyli niemal 7 mld lat, to okres zupełnej stagnacji gwiazdotwórczej (gwiazdy w tym miejscu rodziły się tylko sporadycznie). Ta rekonstrukcja dziejów gwiazd centralnego zgrubienia dowodzi notabene, że nasza supermasywna czarna dziura osiągnęła obecną wielkość (masę) już przed 8 mld lat. I to, generalnie, pokrywa się z ustaleniami innych badań.

Skąd jednak wzięła się ta dysproporcja? Dlaczego gwiazdy jądrowego dysku powstawały w dwóch niezależnych i tak oddalonych w czasie epizodach? Prawdopodobnie odpowiada za to aktywność poprzeczki galaktycznej, która łączy sąsiadujące po obu stronach centrum ramiona Galaktyki. Poprzeczka ta, czyli wydłużony (15 tys. l.ś.) i rotujący obszar gazu galaktycznego, była głównym dostawcą materii do centrum Drogi Mlecznej, co pozwalało nowym gwiazdom rodzić się tam w ogromnej liczbie. Po pierwszej znaczącej aktywności – 8 mld lat temu – poprzeczka przestała dostarczać potrzebną materię. Co zatem spowodowało drugą aktywność gwiazdotwórczą, która była jednym z najbardziej energetycznych zjawisk w historii Drogi Mlecznej? Być może kolizja lub duże zbliżenie centralnego zgrubienia z jedną z satelickich małych i nieregularnych galaktyk. Zbliżenie to wyzwoliło dużą emisję gazu, który mógł powtórnie zasilić centralne zgrubienie, choć już w mniejszej skali niż kiedyś. Mogło to być też jakieś inne gwałtowne zdarzenie.

Dwa dyski w jednym

Drugie odkrycie dotyczy samego dysku jądrowego i zostało zaprezentowane w jednym z ostatnich zeszłorocznych wydań czasopisma „The Astrophysical Journal”. Dysk ten, zwany grubym – w przeciwieństwie do właściwego głównego dysku Drogi Mlecznej – wydaje się tworem niejednorodnym i zawierającym gwiazdy, które dość znacząco różnią się od siebie. Wcześniej o tym nie wiedzieliśmy. Odpowiednie obserwacje, które pozwoliły dokonać tego odkrycia, przeprowadzono dzięki europejskiemu satelicie Gaia w Astrophysical Observatory w Turynie we Włoszech. Okazuje się, że gruby dysk obszaru centralnego składa się tak naprawdę z dwóch części. Pierwsza była obserwowana dotychczas, druga to nowy obszar zwany ubogim metalicznie grubym dyskiem (metal weak thick disk, MWTD). Dla ścisłości: wszystkie gwiazdy całego grubego dysku, a więc należące do II populacji gwiazdowej, czyli gwiazd bardzo starych, są ubogie w cięższe od wodoru i helu pierwiastki – zwane w astrofizyce metalami – ale te pozostające w obrębie MWTD są jeszcze mniej metaliczne, a właściwie niemal całkowicie pozbawione metali. Rotują też wokół samego centrum Galaktyki nieco wolniej od pozostałych – w tempie ok. 150 km/s – i mają wyższą energię, pozwalającą na zajmowanie pozycji wyższej ponad płaszczyzną Galaktyki. Przypuszcza się obecnie, że gwiazdy dysku z obszaru MWTD są jeszcze starsze i powstały jeszcze bliżej centrum galaktycznego niż pozostałe. Obie formacje należą do bardzo bliskiej centrum Drogi Mlecznej struktury centralnego zgrubienia, ale dość znacznie się różnią.

Na marginesie: naprawdę bogate w „metale” są tylko gwiazdy młode I populacji (czyli te z głównego, bardziej oddalonego od centrum dysku cienkiego), ponieważ powstały znacznie później z wielu pokoleń gwiazd wcześniejszych, gromadzących przez miliardy lat pierwiastki cięższe po kolejnych wybuchach supernowych i zderzeniach zwartych obiektów neutronowych. To właśnie w tych kataklizmach tworzą się ciężkie pierwiastki rozsiewane potem w cały kosmos. Chociaż określenie „bogate” też może być tu nieco mylące – nawet bowiem w tych najbardziej metalicznych bardzo młodych gwiazdach ilości owych „metali” nie przekraczają nigdy 1% masy.

Cukrowa laska, tagowanie i gwiazdy na wygnaniu

Trzeba szczerze powiedzieć, że nie ma miesiąca, byśmy nie dowiadywali się czegoś nowego o strukturze, dynamice i tajemniczych obiektach Drogi Mlecznej. Nasza Galaktyka – i zapewne każda inna – to worek zagadek. Oto trzy ciekawe doniesienia o odkryciach dokonanych tylko pod koniec ubiegłego roku. Pierwsze dotyczy zaobserwowania w samym centrum Galaktyki tajemniczego obiektu, który kształtem przypomina cukrową laseczkę, często zawieszaną jako ozdoba na bożonarodzeniowej choince (lub po prostu laskę z zaokrągloną rączką). Tej dziwnej obserwacji dokonał już w 1983 r. niejaki Farah Yusef-Zadeh, ówczesny student Univeristy of California w Los Angeles, ale dopiero teraz twór ten został dokładnie i w kolorze uchwycony przez astronoma Marka Morrisa z tego samego uniwersytetu. Obiekt znajduje się także w centralnym zgrubieniu galaktycznym i jest usytuowany bardzo blisko centralnej czarnej dziury – ok. 100 l.ś. od niej. Wyrasta na wysokość prawie 160 l.ś. z potężnego obłoku molekularnego, który został bardzo zagęszczony w wyniku grawitacyjnego oddziaływania centrum. Cukrowa laseczka jest tak naprawdę strukturą magnetyczną, która formuje w ten dziwny kształt materię obłoku i jest oświetlona silnym promieniowaniem radiowym. Z kolei astronom Keith Hawkins z University of Texas w Austin nie dokonał żadnego pojedynczego odkrycia, za to przyjrzał się wraz z zespołem 25 gwiazdom podwójnym w naszej Galaktyce. Używając teleskopu uniwersyteckiego McDonald Observatory o niemal 3-metrowej średnicy, z niespotykaną do tej pory dokładnością prześledził skład chemiczny każdej pary gwiazd i stwierdził, że gwiazdy układów podwójnych można porównać do jednojajowych bliźniąt wśród ludzi – ich skład chemiczny jest bowiem praktycznie identyczny. To nie dziwi, ponieważ gwiazdy podwójne zawsze powstają z zapaści tego samego dysku protogwiezdnego, ale wcześniej nie wiedzieliśmy, że chemiczne podobieństwo między nimi może być aż tak duże. Hawkins proponuje więc, by dokładnego opisu składu chemicznego gwiazd używać do ich tagowania. Często bowiem się zdarza, że gwiazdy podwójne oddalają się znacznie od siebie i dzisiaj nie sądzimy, że mogły istnieć w układach z innymi. Dzięki ich chemicznemu DNA możemy więc wśród nich odnaleźć bliźniaczki.

Wreszcie prof. Garry Da Costa z Australian National University w Camberze zaobserwował gwiazdę, która przemierza przestrzeń Galaktyki z niespotykaną prędkością ponad 6 mln km/h. To 10 razy szybciej, niż poruszają się w galaktycznej przestrzeni zwykłe gwiazdy, choćby nasze Słońce. Zaobserwowana rekordzistka jest w tej chwili oddalona od nas o 29 tys. l.ś., więc znajduje się stosunkowo blisko i można badać jej trajektorię bardzo precyzyjnie. Uzyskała tę wielką prędkość w samym centrum Galaktyki i teraz oddala się od niego, a za jakieś 100 mln lat – co w skali kosmicznej nie jest wcale czasem długim – opuści Drogę Mleczną na zawsze, podążając dalej w przestrzeni międzygalaktycznej po wsze czasy. Prof. Da Costa twierdzi, że takie odrzucenia gwiazd przez centralną masywną czarną dziurę były przewidywane już od 30 lat, teraz jednak można to wydarzenie wreszcie śledzić, i to z dużą precyzją. Zdarza się tak zwykle, gdy układ podwójny gwiazd jest mocno przyciągany przez centralną galaktyczną czarną dziurę, po czym jedna z nich zostaje przechwycona przez dziurę na zawsze, a druga z ogromną prędkością odrzucona w przestrzeń.

Przemek Berg
dziennikarz naukowy, związany na stałe z redakcją tygodnika „Polityka”