W ciągu ostatnich dwóch lat astronomowie zdołali napisać na nowo dzieje naszej Galaktyki.

Kiedy myśliwi i zbieracze z południowej Sahary należący do afrykańskiego ludu Khoisan spoglądali na wijący się nad ich głowami szlak gwiazd i pyłów, który dzielił na dwoje ich nocne niebo, widzieli w nim żar niebiańskich ognisk. Polinezyjscy żeglarze dostrzegali tam dla odmiany chmurożernego rekina. Starożytni Grecy natomiast wyobrażali sobie strumień mleka (mleko to po grecku: gala), co dało początek ukutemu z czasem współczesnemu terminowi: „Galaktyka”.

W wieku XX astronomowie odkryli, że nasza srebrzysta rzeka gwiazd stanowi tylko jeden z fragmentów ogromnej gwiezdnej wyspy i naszkicowali dzieje powstania naszej Galaktyki. W uproszczeniu mówiła ona, że Galaktyka Drogi Mlecznej połączyła się w całość około 14 miliardów lat temu, kiedy to przeogromne chmury gazów i pyłów uległy zagęszczeniu i skupieniu pod wpływem sił grawitacji. Z czasem wyłoniły się też dwie podstawowe struktury: najpierw kolista aureola, a nieco później gęsty od gwiazd, świetlisty dysk. Miliardy lat po tych wydarzeniach wewnątrz tego dysku narodził się nasz Układ Słoneczny, tak więc kiedy w nocy spojrzymy w górę, widzimy „rozlane mleko” – czyli widok owego rozpryśniętego, mlecznego dysku z perspektywy jego własnej krawędzi.

Jednak w ciągu ostatnich dwóch lat badacze napisali na nowo niemal każdy ważniejszy rozdział tej galaktycznej opowieści. Zrobili to, bo otrzymali dostęp do lepszych danych. 25 kwietnia 2018 r. europejska sonda kosmiczna Gaja udostępniła oszałamiającą ilość informacji dotyczącej naszego nieba. Co najważniejsze, rejestrowane przez lata dane opisały w szczegółach ruch około miliarda gwiazd. Wcześniejsze pomiary zdołały odwzorować trajektorię co najwyżej kilku tysięcy gwiazd. „Gaja rozpoczęła nową naukową rewolucję” – powiedział Federico Sestito, astronom z obserwatorium astronomicznego w Strasburgu we Francji.

Astronomowie na wyścigi pobierali tę nową, dynamiczną mapę nieba, co wywołało lawinę odkryć. Dowiedzieli się np., że część gwiezdnego dysku jest niewyobrażalnie stara. Znaleźli też dowody kolosalnych kolizji, które kształtowały naszą Galaktykę w czasie jej burzliwej młodości, jak i nowe oznaki świadczące o tym, że wciąż zmienia się w nieoczekiwany sposób.

Wszystko to pozwoliło na wygenerowanie nowego opisu jej niespokojnej przeszłości oraz nakreślenie wciąż ewoluującej wizji przyszłości. „Nasz obraz Drogi Mlecznej zmienił się bardzo szybko” – powiedział Michael Petersen, astronom na Uniwersytecie Edynburskim. „Główny wątek naszych odkryć stanowi fakt, że Droga Mleczna nie jest już dla nas statycznym obiektem. Wszędzie w jej obrębie zachodzą gwałtowne zmiany”.

Najwcześniejsze gwiazdy

By spojrzeć wstecz ku najwcześniejszym momentom istnienia galaktyki, astronomowie poszukują prastarych gwiazd, które były wtedy w pobliżu. Gwiazdy te składają się tylko z helu oraz wodoru, najpierwotniejszych materiałów w kosmosie. Na szczęście mniejsze gwiazdy należące do tej wczesnej grupy tlą się powoli i w związku z tym wiele z nich wciąż świeci.

W trakcie dekad badań astronomowie sporządzili katalog 42 takich właśnie prastarych gwiazd znanych jako gwiazdy UMP (UMP stars – Ultra Metal-Poor), czyli o bardzo małej metaliczności (dla astronomów każdy atom gęstszy od atomu helu kwalifikuje się jako metaliczny). Zgodnie z wcześniej przyjmowaną wersją dziejów Drogi Mlecznej gwiazdy te powinny być zgrupowane w jej części zwanej aureolą, która jest najstarszą strukturą naszej Galaktyki. Z kolei gwiazdy znajdujące się w drugiej części zwanej dyskiem, o której mówi się, że potrzebowała dodatkowego miliarda lat, by wirując, osiągnąć swoją płaskość, powinny zawierać zanieczyszczenia złożone z cięższych elementów, takich jak węgiel oraz tlen.

Pod koniec 2017 r. Sestito postanowił zbadać ruchy rojów gwiazd o niskiej metaliczności i stworzył kod mający posłużyć do analizy oczekiwanych danych z Gai. Myślał, że ich koliste trajektorie mogą dostarczyć jakichś wskazówek dotyczących samego powstania galaktycznej aureoli.

W okresie następującym bezpośrednio po udostepnieniu danych z Gai wyizolował on 42 prastare gwiazdy z całego zbioru danych, po czym zaczął śledzić ich ruchy. Zaobserwował, że większość z nich podróżuje poprzez obszar aureoli, tak jak się spodziewano. Jednak niektóre, około jedna na cztery, zachowywały się inaczej. Zdawały się uwiezione wewnątrz dysku – najmłodszego regionu Drogi Mlecznej. „Co to za cud?!” – dziwił się Sestito. „Co się tutaj dzieje?!”.

Kolejne badania potwierdziły, że gwiazdy nie znajdowały się wewnątrz dysku chwilowo, lecz były jego długoterminowymi rezydentkami. W trakcie dwóch ostatnich programów badawczych Sestito wraz z kolegami zgromadził całą bibliotekę około 5000 gwiazd o niskiej metaliczności. Kilkaset z nich zdaje się błyszczeć na stałe wewnątrz dysku. Inna grupa naukowców przeczesała około 500 gwiazd wyszczególnionych w innym badaniu, odkrywając, że średnio jedna na dziesięć posiada płaską orbitę podobną do orbity naszego Słońca. Natomiast trzeci zespół badawczy odkrył gwiazdy o zróżnicowanych metalicznościach (a co za tym idzie w różnym wieku) poruszające się po płaskich orbitach dyskowych. „To coś kompletnie nowego” – powiedziała główna autorka badania Paola Di Matteo, astronomka z Obserwatorium Paryskiego.

Jak te relikty przeszłości się w nich znalazły? Sestito spekulował, że bąble helu i wodoru przez całe eony unikały jakoś skażenia metalami wydalanymi z supernowych, a potem zapadły się, dając początek gwiazdom wyglądającym zwodniczo staro. A może to dysk rozpoczął proces swojego formowania w tym samym czasie co aureola, prawie miliard lat przed oficjalnym terminem?

Żeby zobaczyć, co jest bardziej prawdopodobne, Sestito nawiązał kontakt z Tobiasem Buckiem, badaczem z Instytutu Astrofizyki w Poczdamie, w Niemczech, który specjalizuje się w budowaniu cyfrowych symulacji galaktycznych. W jego poprzednich próbach zazwyczaj aureola powstawała jako pierwsza, a dysk dopiero po niej – tak jak tego oczekiwano. Jednak te próby przeprowadzone były przy stosunkowo niskiej rozdzielczości.

Buck zwiększył szczegółowość swoich symulacji około dziesięciokrotnie. Przy tak wysokiej rozdzielczości, każda próba wymagała ogromnej mocy obliczeniowej. Pomimo że miał on dostęp do niemieckiego ośrodka obliczeniowego Leibniza, liczenie pojedynczej symulacji zajmowało maszynom aż trzy miesiące. Powtórzył on tę próbę aż sześć razy.

Z tych sześciu prób pięć zaowocowało powstaniem bliźniaczych modeli Drogi Mlecznej. Dwa z nich posiadały pokaźną liczbę gwiazd o niskiej metaliczności.

Ale jak te prastare gwiazdy trafiły w obszar dysku? Upraszczając, były one gwiezdnymi emigrantkami. Niektóre z nich narodziły się w pyłowo-gazowych obłokach poprzedzających samą Drogę Mleczną. Potem obłoki umiejscowiły te gwiazdy na orbitach, które w przyszłości miały stać się obszarami galaktycznego dysku. Inne znów gwiazdy pochodzą z galaktyk karłowatych, które zderzyły się z Drogą Mleczną i dołączyły do reszty gwiazd formującego się właśnie dysku.

Rezultaty badań opublikowanych przez zespół badawczy w listopadzie 2020 r. sugerują, że klasyczne modele formowania się naszej Galaktyki nie były kompletne. Wprawdzie obłoki gazowe zapadają się, tworząc koliste aureole, jednak tylko gwiazdy, które nadlatują z zachowaniem odpowiednich kątów, mogą równocześnie rozpocząć proces powstawania struktury dysku. „[Teoretycy] nie byli w błędzie” – powiedział Tobias Buck. – „Ale brakowało im części obrazu”.

Burzliwa młodość

Komplikacje jednak nie kończą się w tym miejscu. Dzięki materiałom z Gai astronomowie odkryli bezpośrednie dowody katastrofalnych w skutkach kosmicznych kolizji. Badacze zawsze zakładali, że młode lata Drogi Mlecznej należały do burzliwych, ale dopiero Helmer Koppelman, astronom pracujący obecnie w Instytucie Zaawansowanych Studiów w Princeton w New Jersey, użył danych z Gai w celu precyzyjnego oznaczenia szczątków pozostałych po jednym z największych zderzeń.

„W 2018 r. dane Gai zostały udostępnione w Internecie i natężenie ruchu na stronie, wywołane przez naukowców gorączkowo pobierających katalog, doprowadziło do jej zamrożenia; to było w środę” – wspomina Koppelman. Zaczął on przeliczać nowe dane we czwartek, a w piątek wiedział już, że jest na drodze do dużego odkrycia. W którą stronę by nie spojrzał, dostrzegał duże ilości gwiazd, które normalnie można spotkać w galaktycznej aureoli, rozstrzelone tu i tam w centrum Drogi Mlecznej, a wszystkie w taki sam, przedziwny sposób – stanowiło to wskazówkę, że wszystkie pochodziły z tej samej galaktyki karłowatej. Już w niedzielę wstępny artykuł Koppelmana i jego współpracowników na ten temat był gotowy. W czerwcu tego samego roku opublikowali bardziej szczegółową analizę, która stanowiła rozwinięcie tekstu.

Galaktyczne szczątki były wszędzie. Być może nawet wszystkie gwiazdy znajdujące się w przestrzeni centralnych 60 000 lat świetlnych aureoli (rozciąga się ona setki tysięcy lat świetlnych w każdym kierunku) znalazły się w naszej Galaktyce na skutek pojedynczej kolizji z inną galaktyką i mogły zasilić jeszcze młodą wówczas Drogę Mleczną w dodatkową masę, sięgającą nawet 10% całości. „Spodziewałem się znaleźć wiele różnorodnych, mniejszych obiektów” – powiedział Koppelman i dodał: „To zmienia dla mnie wszystko”.

Zespół nazwał tę nowo odkrytą galaktykę karłowatą Gaia-Enceladus, upamiętniając grecką chtoniczną boginię Gaję i jej syna, tytana Enkeladosa. Inny zaś zespół naukowy, tym razem z Uniwersytetu w Cambridge, który w tym samym czasie niezależnie odkrył tę samą galaktykę, nadał jej żartobliwe miano „kiełbaski”, z powodu jej kształtu w niektórych galaktycznych wykresach prędkości orbitalnych.

Kiedy Droga Mleczna i Gaia-Encelaus zderzyły się, być może jakieś 10 miliardów lat temu, jeszcze wciąż delikatny dysk Drogi Mlecznej mógł doznać wielu uszkodzeń. Astronomowie spierają się, dlaczego nasz galaktyczny dysk zdaje się złożony z dwóch części: płaskiej zewnętrznej części oraz wybrzuszonej części wewnętrznej, w której to gwiazdy orbitują wokół galaktycznego centrum, jakby skakały na linie bungee. Wyniki badań prowadzonych przez Paolę Di Matteo sugerują, że Gaia-Enceladus rozsadziła dużą część dysku, rozdymając go podczas kolizji. „Pierwszy, prastary galaktyczny dysk powstał całkiem szybko, myślimy jednak, że potem Gaia-Enceladus, że tak się wyrażę, rozsadziła go” – powiedział Koppelman.

Wskazówki świadczące o innych zderzeniach zostały zaobserwowane w grupach gwiazd nazywanych gromadami kulistymi. Diederik Kruijssen, astronom z Uniwersytetu Heidelberskiego w Niemczech, stosując galaktyczne symulacje, nauczył sztuczną sieć neuronową analizowania cech gromad kulistych. Sprawił on, że sieć neuronowa zaczęła badać ich wiek, skład oraz orbity. Zebrane dane z kolei posłużyły owej sieci neuronowej do rekonstrukcji kolizji, które uformowały galaktyki. Następnie Kruijssen nastawił urządzenie na analizowanie prawdziwych danych z naszej Galaktyki. Program nie tylko zrekonstruował znane już wydarzenia takie jak zderzenie Drogi Mlecznej z Gaią-Enceladus, lecz również inną, starszą i jeszcze bardziej brzemienną w skutki kosmiczną kolizję, którą zespół badawczy ochrzcił imieniem Kraken.

W sierpniu zespół Kruijssena opublikował genealogię zderzeń Drogi Mlecznej z galaktykami karłowatymi, które ją uformowały. Naukowcy przewidzieli również istnienie 10 innych dawnych kolizji, które – mają nadzieję – zostaną potwierdzone przez inne niezależne badania naukowe. „Nie znaleźliśmy jeszcze tych 10 zderzeń” – powiedział Kruijssen. – „Ale kiedyś je odnajdziemy”.

Wszystkie odkryte przypadki łączenia galaktyk sprawiły, że niektórzy astronomowie zasugerowali, że aureola może składać się niemal wyłącznie z tzw. gwiazd migrujących. Modele stworzone w latach 60. i 70. ubiegłego wieku zakładały, że większość gwiazd w aureoli Drogi Mlecznej powstała tam, gdzie się obecnie znajduje. Jednak teraz, kiedy więcej i więcej gwiazd zostaje zidentyfikowanych jako galaktyczni przybysze, być może powinniśmy założyć, że większość, jeśli nie wszystkie gwiazdy, nie są rdzennymi mieszkankami naszej Galaktyki.

Galaktyka wciąż rośnie

Droga Mleczna cieszyła się stosunkowym spokojem w ciągu ostatnich eonów czasu, jednak przybysze nie przestają nadciągać. Obserwatorzy gwiazd z południowej półkuli gołym okiem mogą dostrzec parę galaktyk karłowatych zwanych Małym oraz Wielkim Obłokiem Magellana. Astronomowie od dawna uważali, że są one naturalnymi satelitami Drogi Mlecznej.

Potem jednak seria obserwacji dokonanych pomiędzy 2006 a 2013 r. dzięki kosmicznemu teleskopowi Hubbla dowiodła, że zachowują się bardziej jak nadlatujące meteory. Nitya Kallivayalil, astronom z Uniwersytetu Publicznego w Charlottesville w Wirginii, spostrzegł, że są z nami na kursie kolizyjnym, nadlatując z prędkością 330 km/s, czyli niemal dwa razy szybciej niż przypuszczano wcześniej.

Naukowcy z zespołu pod kierownictwem Jorgego Peñarrubii, astronoma z Królewskiego Obserwatorium Astronomicznego w Edynburgu, na podstawie swoich obliczeń doszli do wniosku, że te szybko nadlatujące obłoki muszą być niezwykle gęste – być może nawet dziesięciokrotnie gęstsze niż sądzono.

„Niespodzianka goniła niespodziankę” – powiedział Peñarrubia.

Różne zespoły naukowe przewidywały, że te niespodziewanie „napakowane” galaktyczne karły mogą wraz ze swym ruchem przemieszczać części Drogi Mlecznej. W 2020 r. Peñarrubia rozpoczął współpracę z Petersenem w celu znalezienia na to dowodu.

Problem z wyznaczaniem ruchu obiektu o rozmiarach galaktyki jest taki, że Droga Mleczna stanowi istną śnieżycę gwiazd, a astronomowie obserwują jej zachowanie z perspektywy jednego z płatków śniegu wirującego w tej śnieżycy. W związku z tym Peñarrubia z Petersenem spędzili większość lockdownu, zastanawiając się, jak zneutralizować wpływ ruchu Ziemi oraz Słońca i jak uśrednić ruch gwiazd w aureoli tak, by jej zewnętrzna krawędź mogła posłużyć jako statyczny punkt odniesienia.

Po wyskalowaniu danych w taki właśnie sposób odkryli, że Słońce, Ziemia i reszta okolicznych obiektów w tej części dysku, wszystkie mkną w jedną stronę, ale nie w kierunku obecnej pozycji Wielkiego Obłoku Magellana, ale jego lokalizacji sprzed około miliarda lat („Galaktyka to człapiąca ciężko bestia z powolnym refleksem” – wyjaśnił Petersen). Niedawno opublikowali oni swoje odkrycia w magazynie internetowym „Nature Astronomy”.

Ślizgowy ruch dysku w stosunku do aureoli podważa fundamentalne twierdzenie mówiące, że Droga Mleczna jest obiektem znajdującym się w równowadze. Większość astronomów założyła, że chociaż prawdopodobnie mknie ona, wirując przez przestrzeń, to po upływie miliardów lat dojrzała już aureola oraz dysk weszły w końcu w stabilną relację.

Badania Peñarrubii i Petersena udowadniają, że założenia te są nieprawdziwe. Nawet po 14 miliardach lat kolizje kosmiczne wciąż mają wpływ na całkowity kształt naszej Galaktyki. Uświadomienie sobie tego stanu rzeczy, mimo że jest prawdopodobnie najświeższą z nowin, to jedna z wielu nadchodzących zmian w naszym sposobie rozumienia istoty wielkiego, mlecznego strumienia, który płynie przez niebo.

„Jeśli chodzi o wszystko, co dotąd myśleliśmy na temat przyszłości oraz historii Drogi Mlecznej, to potrzebujemy zupełnie nowego modelu, by to opisać” – powiedział Petersen.

Pierwotnie tekst ukazał się w Quanta Magazine, niezależnym portalu internetowym Fundacji Simonsa, której misją jest poszerzanie wiedzy o nauce poprzez omawianie badań i trendów w matematyce, fizyce oraz naukach przyrodniczych. Artykuł publikujemy za zgodą redakcji Quanta Magazine. Tytuł i skróty pochodzą od redakcji „Przekroju”.