Nasze Słońce powstało daleko stąd

Czy Słońce jest jedynakiem? A może urodziło się w (bardzo, bardzo) dużej rodzinie?

Odpowiedź na to pytanie dałaby nam więcej niż tylko potwierdzenie znanego faktu, że świąteczne zjazdy rodzinne bywają niezbyt miłe. (Jeśli myślisz, że twoje są kiepskie, wyobraź sobie, o ile byłyby gorsze, gdybyś miał tysiące sióstr i braci.) Historia pochodzenia Słońca jest przecież naszą własną historią. W rozumieniu procesów powstawania gwiazd poczyniliśmy olbrzymie postępy, ale, jak na ironię, wciąż nie znamy odpowiedzi na kilka fundamentalnych pytań dotyczących obiektu nam najbliższego – dla przykładu nie wiemy, czy Słońce narodziło się samo, czy wraz z ogromną grupą innych gwiazd.

Słońce znajduje się tak blisko, że możemy go niemal dotknąć, mimo to szczegóły jego powstania pozostają tajemnicą. Największym problemem jest jego wiek. Nasza gwiazda, która narodziła się 4,6 mld lat temu, jest w połowie swojego życia i zawędrowała daleko od swojego przodka – bezimiennego, obecnie nieistniejącego gazowego „gwiezdnego żłobka”, który dawno temu rozproszył się lub skonsolidował w gwiazdy.

Nie możemy znaleźć tego żłobka, ale wciąż możemy się o nim czegoś dowiedzieć. Mamy ku temu pewne poszlaki w postaci zaskakujących form meteorytów, z których część nadal zawiera wskazówki dotyczące środowiska natalnego podczas narodzin Układu Słonecznego. Dla przykładu, znajdujące się w meteorytach izotopy pierwiastków, takich jak potas, wskazują nam, gdzie te obiekty powstały w protogwiazdowych obłokach kosmicznych zwanych mgławicami, a zróżnicowanie między meteorytami może pomóc w określeniu stanu mgławicy na długo przed pojawieniem się jakichkolwiek planet.

Dysponując danymi z meteorytów i wspomagając się najnowocześniejszymi symulacjami komputerowymi, międzynarodowy zespół astronomów zbadał środowisko, w którym prawdopodobnie powstało Słońce. Wyniki zostały opublikowane w marcu 2023 r. w czasopiśmie „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”. Posługując się sprytnym rozumowaniem, zespół sugeruje, że Słońce nie tylko miało liczne rodzeństwo, ale także że narodziło się w wielkomiejskim otoczeniu.

Gwiazdy przychodzą na świat w mgławicach, gdy wnętrze obłoku zapada się w centralny punkt, który staje się młodą gwiazdą. Mgławice występują w wielu kształtach i rozmiarach, od małych, ciemnych globulek po ogromne obłoki molekularne. To, w jaki sposób gwiazda formuje się w danej mgławicy, zależy bardziej od warunków naturalnych niż od wychowania.

Dla przykładu, mgławica Barnard 68 to ciemny kłąb zimnego gazu i pyłu – drobnych ziaren krzemianów (materiału skalnego) i złożonych cząsteczek węgla podobnych do sadzy – leżący stosunkowo blisko nas, w odległości zaledwie kilkuset lat świetlnych. To jeden z moich ulubionych obiektów: upiorna, czarna jak smoła masa, która całkowicie blokuje światło gwiazd znajdujących się za nią, niczym nieprzezroczysta dziura w niebie.

Ma ona średnicę jedynie pół roku świetlnego (około pięciu bilionów kilometrów) i zawiera w sobie zaledwie tyle materii, aby utworzyć pojedynczą gwiazdę nieco większą od Słońca. Najprawdopodobniej jest ona obecnie w trakcie tego procesu i może przekształcić się w gwiazdę już w ciągu 200 tys. lat.

Na drugim końcu skali mamy Obłok Molekularny w Orionie – ogromne siedlisko aktywnego formowania się gwiazd, które znajduje się ponad 1000 lat świetlnych od nas i rozciąga na wiele setek lat świetlnych. Jest on wystarczająco potężny, aby uformować oszałamiającą liczbę gwiazd – co najmniej 100 tys. takich, jak Słońce. Kultowa Wielka Mgławica w Orionie, widoczna gołym okiem i będąca miejscem narodzin setek gwiazd, to tylko niewielka część tej gigantycznej gwiezdnej fabryki.

Olbrzymie obłoki, takie jak w Orionie, występują stosunkowo rzadko, ale produkują gwiazdy na skalę przemysłową, podczas gdy mniejsze obłoki są mniej płodne, ale zaśmiecają Galaktykę. Nie jest jednak możliwe ustalenie pochodzenia Słońca tylko na podstawie tego typu statystyk; mogło ono powstać w każdym z rodzajów gwiezdnych żłobków.

Środowiska mgławicowe znacznie się od siebie różnią, co wpływa na tworzone przez nie gwiazdy. Masywne gwiazdy znajdujące się w mgławicach mają duży wpływ na swoje rodzeństwo. Mogą emitować silne wiatry cząstek subatomowych – podobne do wiatru słonecznego, ale znacznie intensywniejsze. Wiatry te dostarczają formującym się gwiazdom ciężkie pierwiastki, takie jak glin i magnez. Później, gdy wybuchają jako supernowe, wyrzucają inną mieszaninę pierwiastków, takich jak żelazo i kobalt, na bardzo dużą odległość.

Masywne gwiazdy są jednak rzadkością. Być może jedna na 100 gwiazd jest wystarczająco duża, aby mieć tego rodzaju wpływ, a małe mgławice po prostu takich nie tworzą. Oznacza to, że wgląd w skład chemiczny wczesnego Układu Słonecznego może nam pomóc w określeniu, w jakiej klinice porodowej przyszło na świat Słońce.

Na tym pomyśle skupił się międzynarodowy zespół badawczy. Astronomowie szczególnie skoncentrowali się na dwóch pierwiastkach: glinie-26 i żelazie-60. Glin-26 powstaje wewnątrz masywnych gwiazd i jest wydmuchiwany przez ich wiatry, podczas gdy żelazo-60 jest wypalane w termojądrowym piekle wybuchającej gwiazdy. Oba pierwiastki są radioaktywne i rozpadają się odpowiednio na magnez i kobalt. Dzięki dokładnemu pomiarowi ilości pierwiastków pochodnych zawartych w dziewiczych próbkach z najwcześniejszej epoki Układu Słonecznego – czyli w meteorytach – możemy poznać środowisko, w którym uformowało się Słońce.

Aby przeprowadzić symulację narodzin gwiazdy podobnej do Słońca w różnych środowiskach – od mgławic zawierających bardzo niewiele gwiazd (reprezentujących mniejsze obłoki) po duże, liczące wiele tysięcy obiektów – naukowcy w swojej analizie wykorzystali wiedzę z zakresu fizyki mgławic i formowania się gwiazd. Następnie obliczyli skład pierwiastkowy wirtualnego dysku protosłonecznego, który występował w każdej symulacji, i porównali swoje wyniki z tym, co faktycznie znaleziono w meteorytach.

Uzyskane wyniki wskazują, że wczesne Słońce, w trakcie formowania się w swoim macierzystym dysku, było prawdopodobnie wystawione na wpływ silnych wiatrów i wybuchów supernowych – oba te zjawiska są związane z masywnymi gwiazdami. Oznacza to, że słoneczny żłobek bardziej przypominał Kompleks Oriona niż Barnarda 68.

Zbiegiem okoliczności, pod koniec 2022 roku inny zespół opublikował artykuł w czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics”, w którym rozważano podobną kwestię. Naukowcy doszli do wniosku że, aby mogły powstać radioaktywne pierwiastki zaobserwowane w najstarszych meteorytach, w pobliżu wciąż formującego się Układu Słonecznego musiała eksplodować co najmniej jedna supernowa. Ze względu na względną rzadkość takich zdarzeń stwierdzili, że gromada, w której narodziło się Słońce, musiała być bardzo duża, aby statystycznie było to możliwe.

Innymi słowy, jest prawdopodobne, że Słońce było raczej dzieckiem z centrum wielkiego miasta niż gwiazdą z małego miasteczka. Oczywiście, po zniknięciu mgławicowego żłobka, nie możemy łatwo potwierdzić tej hipotezy. Nie jesteśmy w stanie wrócić do domu.

A co z rodzeństwem Słońca – tysiącami innych gwiazd z jego wielkiej rodziny? Kiedyś trzymały się razem jak szczenięta, ale eony temu wyruszyły w samotną wędrówkę i teraz są sierotami rozrzuconymi po całej Galaktyce. Niemniej jednak astronomowie poszukują gwiazd o takim samym wieku i składzie jak nasza, abyśmy mogli dowiedzieć się więcej o Słońcu.

Ponowne spotkanie jest mało prawdopodobne. Jeśli więc chcemy stworzyć album rodzinny, będziemy musieli sami go skompletować.