Niespodzianka: Droga Mleczna nie jest jednorodna

Astronomowie z Uniwersytetu Genewskiego zaobserwowali kompozycję gazów w naszej galaktyce i wykazali, że, wbrew dotychczasowym modelom, nie są one jednorodnie wymieszane.

Aby lepiej zrozumieć historię i ewolucję Drogi Mlecznej, astronomowie badają skład gazów i metali, które stanowią istotną część naszej galaktyki. Wyróżnia się trzy główne pierwiastki: początkowy gaz pochodzący spoza naszej galaktyki, gaz znajdujący się pomiędzy gwiazdami wewnątrz naszej galaktyki – wzbogacone w pierwiastki chemiczne – oraz pył powstały w wyniku kondensacji metali obecnych w tym gazie. Do tej pory modele teoretyczne zakładały, że te trzy pierwiastki były jednorodnie wymieszane w całej Drodze Mlecznej i osiągnęły poziom wzbogacenia chemicznego podobny do atmosfery Słońca, zwany słoneczną metalicznością. Teraz zespół astronomów z Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) wykazał, że gazy te nie są wymieszane w takim stopniu, jak wcześniej sądzono, co ma duży wpływ na obecne rozumienie ewolucji galaktyk. W rezultacie, symulacje ewolucji Drogi Mlecznej będą musiały być zmodyfikowane. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature.

Galaktyki składają się ze zbioru gwiazd i powstają w wyniku kondensacji gazu w ośrodku międzygalaktycznym, składającego się głównie z wodoru i odrobiny helu. Gaz ten nie zawiera metali, w przeciwieństwie do gazu w galaktykach – w astronomii wszystkie pierwiastki cięższe od helu nazywane są zbiorczo „metalami”, chociaż są to atomy w postaci gazowej. Galaktyki są zasilane przez „dziewiczy” gaz, który wpada do nich z zewnątrz, co odmładza je i pozwala na powstawanie młodych gwiazd, wyjaśnia Annalisa De Cia, profesor w Katedrze Astronomii na Wydziale Nauk UNIGE i pierwsza autorka badania. Jednocześnie gwiazdy przez całe swoje życie spalają wodór, który je tworzy, i tworzą inne pierwiastki w procesie nukleosyntezy. Kiedy gwiazda, która osiągnęła koniec swojego życia, eksploduje, wyrzuca wyprodukowane przez siebie metale, takie jak żelazo, cynk, węgiel i krzem, wprowadzając te pierwiastki do gazu w galaktyce. Atomy te mogą następnie skondensować się w pył, szczególnie w chłodniejszych, gęstszych częściach galaktyki. Początkowo, kiedy Droga Mleczna się uformowała, ponad 10 mld lat temu, nie zawierała metali. Potem gwiazdy stopniowo wzbogacały środowisko o metale, które produkowały – kontynuuje badaczka. Kiedy ilość metali w tym gazie osiąga poziom, jaki występuje w Słońcu, astronomowie mówią o słonecznej metaliczności.

Niezbyt jednorodne środowisko
Środowisko tworzące Drogę Mleczną skupia zatem metale produkowane przez gwiazdy, cząsteczki pyłu, które uformowały się z tych metali, ale także gazy spoza galaktyki, które regularnie do niej wpływają. Do tej pory modele teoretyczne zakładały, że te trzy pierwiastki są jednorodnie wymieszane i osiągają skład słoneczny w całej naszej galaktyce, z lekkim wzrostem metaliczności w centrum, gdzie gwiazdy są liczniejsze, wyjaśnia Patrick Petitjean, badacz z Institut d’Astrophysique de Paris na Sorbonie. Chcieliśmy to szczegółowo zaobserwować za pomocą spektrografu ultrafioletowego na Kosmicznym Teleskopie Hubble’a.

Spektroskopia pozwala na rozdzielenie światła gwiazdy na poszczególne kolory lub częstotliwości, trochę jak w pryzmacie lub w tęczy. W takim rozłożonym świetle, astronomowie są szczególnie zainteresowani liniami absorpcyjnymi: Kiedy obserwujemy gwiazdę, metale, które tworzą gaz pomiędzy gwiazdą a nami, pochłaniają bardzo małą część światła w charakterystyczny sposób, w specyficznej częstotliwości, co pozwala nam nie tylko zidentyfikować ich obecność, ale także powiedzieć, jaki to metal i jak jest obfity – kontynuuje.

Nowa metoda opracowana do obserwacji całkowitej metaliczności
Przez 25 godzin zespół naukowców obserwował atmosfery 25 gwiazd za pomocą Hubble’a i Bardzo Dużego Teleskopu (VLT). Problem? Pył nie może być policzony za pomocą tych spektrografów, nawet jeżeli zawiera metale. Zespół Annalisy De Cia opracował więc nową technikę obserwacyjną. Polega ona na uwzględnieniu całkowitego składu gazu i pyłu poprzez jednoczesną obserwację kilku pierwiastków, takich jak żelazo, cynk, tytan, krzem i tlen – wyjaśnia genewska badaczka. Następnie możemy prześledzić ilość metali obecnych w pyle i dodać ją do tej już określonej ilościowo przez poprzednie obserwacje, aby uzyskać sumę.

Dzięki tej podwójnej technice obserwacyjnej astronomowie odkryli, że środowisko Drogi Mlecznej nie jest jednorodne, ale także, że niektóre z badanych obszarów osiągają zaledwie 10% słonecznej metaliczności. To odkrycie odgrywa kluczową rolę w projektowaniu teoretycznych modeli dotyczących powstawania i ewolucji galaktyk – mówi Jens-Kristian Krogager, badacz z Wydziału Astronomii UNIGE. Od teraz będziemy musieli udoskonalić symulacje poprzez zwiększenie rozdzielczości, tak abyśmy mogli uwzględnić te zmiany metaliczności w różnych miejscach w Drodze Mlecznej.

Wyniki te mają duży wpływ na nasze rozumienie ewolucji galaktyk, w szczególności naszej własnej. Metale odgrywają fundamentalną rolę w formowaniu się gwiazd, pyłu kosmicznego, cząsteczek i planet. Wiemy, że nowe gwiazdy i planety mogą być formowane z gazów o bardzo różnym składzie.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
UNIGE

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna: obłoki i strumienie kosmicznego gazu „dziewiczego” akreują na Drogę Mleczną. Źródło: Dr Mark A. Garlick

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *