Galaktyczne sensacje
Droga Mleczna jest dość typową galaktyką spiralną z poprzeczką (czyli pasmem jasnych gwiazd przebiegającym przez jej środek) o średnicy ok. 100 tys. lat świetlnych i grubości mniej więcej 1000 l.ś. Posiada 100–400 mld gwiazd, co trudno dokładnie ustalić, bo wiele z nich znajduje się poza jej głównym dyskiem w tzw. galaktycznym halo. Halo to bardzo rozszerzona, świecąca jasno i mniej więcej sferyczna struktura otaczająca galaktyczny dysk. Tam gwiazdy są bardzo rozproszone. Większość galaktyk spiralnych takie halo posiada, raz jest ono większe i jaśniejsze, kiedy indziej słabo zarysowane. Na przykład niedaleka galaktyka spiralna Sombrero ma gigantyczne halo, które dominuje w całym obrazie tego obiektu.
Halo naszej Galaktyki jest dość wyraźne, choć nie tak spektakularne. Prawdopodobnie znajduje się tam więcej gwiazd niż w skupiskach głównej struktury. Od kilku lat przypatrujemy się coraz uważniej temu tworowi. Najnowsze badania, omówione w lutowym wydaniu czasopisma „Nature”, skupiły się na tym, by odpowiedzieć na pytanie, skąd w halo wzięły się gwiazdy: czy powstały wskutek kolizji, do jakich od miliardów lat dochodzi między Drogą Mleczną a mniejszymi karłowatymi galaktykami satelickimi, czy raczej pojawiły się wraz z kształtowaniem się całego galaktycznego tworu i z jakiegoś powodu nie znalazły się w głównej strukturze lub zostały wypchnięte poza nią? Tak przedstawiają się dwie najważniejsze hipotezy na ten temat.
Badacze z Max-Planck-Institut für Astronomie w Niemczech skorzystali w swoich analizach z dwóch potężnych teleskopów naziemnych: VLT (Very Large Telescope, Bardzo Duży Teleskop) w Chile oraz teleskopów Kecka wybudowanych na Hawajach. Przede wszystkim wybrali dwa obszary halo dość gęsto upakowane gwiazdami i znajdujące się po przeciwnych stronach galaktycznego dysku: Triangulum Andromeda (Tri-And) oraz zagęszczenie A13. Każdy z nich jest oddalony od płaszczyzny głównego dysku o ok. 14 tys. l.ś., w sumie więc dzieli je szmat drogi… By dowiedzieć się, czy skupiska te powstały zupełnie niezależnie od siebie i czy zawierają różnego rodzaju gwiazdy, należało dokładnie zbadać widma gwiazd wchodzących w ich skład. To dobry trop, ponieważ gwiazdy głównej struktury naszej Galaktyki i jej halo są dość odmienne (chemicznie) od gwiazd należących do galaktyk karłowatych lub gromad gwiazd krążących na rubieżach galaktycznego dysku.
Okazało się, że gwiazdy z obu bardzo oddalonych od siebie zagęszczeń są chemicznie niezwykle do siebie podobne, co oznacza, że wywodzą się z tej samej wcześniejszej populacji gwiazdowej lub narodziły się razem z całą Drogą Mleczną. Dlaczego jednak nie weszły w skład głównej galaktycznej struktury? I tu uczonym z Max-Planck-Institut für Astronomie udało się połączyć dwie hipotezy wyjściowe. Według nich gwiazdy znacznych obszarów halo powstały razem z całą Galaktyką. Potem zostały zepchnięte na jej obrzeża w wyniku kolizji, do jakich dochodziło i wciąż dochodzi między Mleczną Drogą a galaktykami satelickimi. Astronomowie nazywają to kosmiczną eksmisją. Gdy galaktyka karłowata przechodzi przez galaktyczny dysk Drogi Mlecznej, generuje potężne oscylacje przestrzenne przypominające fale dźwiękowe, które wyrzucają ponad dysk i pod nim ogromne liczby gwiazd z płaszczyzny galaktycznej. Te jednak wciąż są grawitacyjnie przyciągane, więc tworzą coś, co przypomina rozdęty balon z gwiazdami otaczający całe galaktyczne centrum. Tak mniej więcej powstaje halo. To oznacza też, że kiedyś w głównej strukturze Drogi Mlecznej (w dysku) gwiazd było istotnie więcej i że dysk ten był gęściej zasiedlony przez gwiazdy, czyli bardziej masywny, a więc też sporo utracił na rzecz galaktycznego halo.
Zaglądamy w sam środek
I to niemal dosłownie. Dzięki sieci radioteleskopów – rozsianych niemal po całym świecie (to tzw. wielkobazowa interferometria, czyli VLBI, very long baseline interferometry) i pracujących wspólnie w celu uzyskania jednego, niezwykle dokładnego obrazu – udało się obejrzeć okolicę horyzontu zdarzeń Sagittarius A*, czyli znajdującej się w centrum naszej Galaktyki supermasywnej (ok. 3,7 mln mas Słońc) czarnej dziury. Imponujący wynik. Obserwacji tej dokonała sieć urządzeń zwana Event Horizon Telescope, do której należą złożony z 23 radioteleskopów instrument badawczy CARMA z Kalifornii, ulokowane na Hawajach teleskopy JCMT i SMA, teleskop SMT z Arizony oraz, co bardzo ważne – z racji położenia na półkuli południowej – działający w Chile radioteleskop APEX. Wszystkie skupiły się na źródle Sagittarius A* i obserwowały je w zakresie fal 1,3 mm. W końcu, działając jak jeden przyrząd, wszystkie osiągnęły nieprawdopodobną rozdzielczość, pozwalającą dotrzeć do źródła na odległość trzech promieni Schwarzschilda. Czyli mniej więcej na dystans 36 mln km od horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Tak blisko takiej osobliwości kosmicznej jeszcze nie byliśmy. Obserwacja ukazała niesymetryczną i niepunktową strukturę, prawdopodobnie będącą częścią tworu przypominającego pierścień.
Dla przypomnienia: promień Schwarzschilda – od nazwiska niemieckiego fizyka – określa obszar (granicę), za którym obiekt materialny staje się czarną dziurą. I tak np. w przypadku Słońca są to ok. 3 km, a Ziemi – 9 mm. To oznacza, że gdyby zagęścić i ścisnąć Słońce do tworu o średnicy 6 km, a Ziemię do 18 mm, ciała te stałyby się czarnymi dziurami. Ich promienie Schwarzschilda określają też granicę występowania tzw. horyzontu zdarzeń, zza którego już nic nie może z czarnej dziury się wydostać do zewnętrznego świata. Oczywiście dla mającej masę prawie 4 mln Słońc czarnej dziury Sagittarius A* promień ten jest znacznie większy, wynosi miliony kilometrów.
Mrowisko czarnych dziur
Jednak to nie koniec niespodzianek wynikających z obserwacji centralnego zagęszczenia materii w naszej Galaktyce. Bardzo ciekawych odkryć dokonał zespół astronomów z University of Columbia w Nowym Jorku, który posłużył się amerykańskim obserwatorium kosmosu w zakresie fal rentgenowskich Chandra. Otóż od kilku lat teoretyczne obliczenia ruchu gwiazd w Drodze Mlecznej sugerowały, że prędzej czy później musi dojść do nagromadzenia się gwiazdowych czarnych dziur Galaktyki wokół jej środka, czyli nieco już poznanego źródła Sagittarius A*. I rzeczywiście, w tym przypadku przewidywania teoretyczne się sprawdziły, ponieważ wykryto znaczne ilości gwiazdowych (o masach 5–30 mas Słońca) dziur w promieniu zaledwie 12 l.ś. od Sagittariusa. Czternaście z nich udało się zlokalizować bardzo blisko, bo zaledwie trzy lata świetlne od Sgr A*. Oczywiście same czarne dziury są niewidzialne i praktycznie niewykrywalne, ale gdy towarzyszy im gwiazda lub gwiazdy (a tych w centrum naszej Galaktyki jest bardzo dużo), zaciągana z nich materia opada na rotujący wokół dziury dysk materii, rozgrzewa się do milionów stopni i emituje wówczas wyraźnie promieniowanie rentgenowskie. I to jeszcze przed wniknięciem do samej czarnej dziury.
I właśnie te emisje promieni X – zwane podwójnymi układami rentgenowskimi – analizowano w obserwatorium Chandra. Skoro aż 14 silnych źródeł promieniowania X wykryto w promieniu zaledwie 3 l.ś. od Sgr A*, badacze z Columbia University szacują, że dalej znajduje się większa grupa źródeł (czarnych dziur) słabszych, szacunkowo od 300 do nawet 1000. Poza tym część czarnych dziur przebywających blisko centrum Drogi Mlecznej może nie mieć gwiezdnych towarzyszy, więc ich promieniowanie rentgenowskie jest niewykrywalne, w sumie jednak czarnych dziur w pobliżu Sgr A* mogą być tysiące, na pewno więcej niż 10 tys., może nawet 30–40 tys.
Galaktyczne życie
Że takie istnieje, uważa wielu poważnych naukowców zajmujących się kosmosem, ale też uczonych badających genezę życia na Ziemi. Stąd pewnie wziął się zapoczątkowany w 2015 r. niezwykle rozbudowany i ambitny projekt o nazwie Breakthrough Initiatives (Przełomowe Inicjatywy), finansowany w dużej mierze przez rosyjskiego miliardera Jurija Milnera. Celem tego wartego wieleset milionów dolarów programu jest znalezienie sygnału od obcej cywilizacji zamieszkującej naszą Galaktykę. Pierwszym i najważniejszym jego etapem jest tzw. Breakthrough Listen, w który zaangażowane są trzy wielkie obserwatoria radioastronomiczne: Green Bank – czyli największy w pełni sterowalny radioteleskop świata, Obserwatorium Licka z Kalifornii i obserwatorium Parkes w Australii. Mają poszukiwać sygnałów pochodzących od obcych, czyli sztucznych.
To największe i najszerzej zakrojone poszukiwania tego typu w historii. W program zaangażowane są m.in. University of California oraz Berkeley SETI Research Center. Wstępne dane pozyskane dzięki Green Bank już opublikowano: na razie sygnału od obcych nie ma, ale – rzecz jasna – trzeba próbować dalej; wkrótce dołączą też do niego Lick i Parkes. Ten ostatni radioteleskop wyposażono w bardzo czułe, zaawansowane wielokanałowe detektory i gigantyczną moc obliczeniową. Ma rozpocząć systematyczne nasłuchy setek milionów gwiazd Drogi Mlecznej już w 2018 r. Z niecierpliwością czekamy na wyniki.
Przemek Berg
dziennikarz naukowy, związany na stałe z redakcją tygodnika „Polityka”