Droga Mleczna wymiera? Gwiazdy przestały się rodzić
Zapomnijcie o ekspansji, czas na galaktyczną stagnację. Astronomowie odkryli, że peryferia Drogi Mlecznej stały się sterylne.
Nasza galaktyka ma co najmniej 100 tys. lat świetlnych średnicy, ale nowe gwiazdy rodzą się tylko w obrębie 40 tys. lat świetlnych od centrum. Za tą granicą narodziny gwiazd praktycznie ustają, a te, które tam widzimy, przybyły skądinąd. Międzynarodowy zespół astronomów właśnie wyznaczył tę granicę po raz pierwszy, analizując wiek ponad 100 tys. gwiazd olbrzymów. Wyniki opublikowane w Astronomy & Astrophysics pokazują, że Droga Mleczna jest gwiazdotwórczo mniejsza, niż się wydaje.
Galaktyka, która rośnie od środka, ale nie w nieskończoność
Galaktyki spiralne, takie jak właśnie Droga Mleczna, nie formują gwiazd równomiernie na całej swojej powierzchni. Rosną od środka na zewnątrz, w procesie zwanym wzrostem inside-out. Najgęściej upakowany gaz znajduje się w centralnych regionach galaktyki. Tam pierwszy formowały się gwiazdy, miliardy lat temu. Z czasem formowanie gwiazd rozszerzało się na coraz dalsze regiony dysku spiralnego, w miarę jak gaz akumulował się na większych odległościach od centrum.
W konsekwencji gwiazdy bliżej centrum galaktyki powinny średnio być starsze, a te dalej od centrum młodsze. To ogólny trend obserwowany w wielu galaktykach spiralnych i potwierdzony również w Drodze Mlecznej. Ale do pewnego momentu. Zespół kierowany przez Karla Fiteniego postanowił sprawdzić, jak daleko ten trend sięga. Czy gwiazdy są coraz młodsze aż do samej krawędzi galaktyki? Czy gdzieś ten wzorzec się łamie?
100 tys. gwiazd olbrzymów i profil w kształcie litery U
Do badania wykorzystano dane o ponad 100 tys. jasnych gwiazd olbrzymów rozsianych po dysku Drogi Mlecznej. Gwiazdy olbrzymy są idealnym narzędziem do tego typu analiz. Są na tyle jasne, że widać je na ogromnych odległościach, a ich widma pozwalają z dużą precyzją określić temperaturę, skład chemiczny i wiek.
Dane pochodziły z trzech źródeł. Chiński teleskop LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope) dostarczył widma spektroskopowe umożliwiające pomiar właściwości chemicznych. Amerykański przegląd APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) w ramach Sloan Digital Sky Survey uzupełnił dane o pomiary w podczerwieni, które pozwalają przebić się przez pył galaktyczny zasłaniający część gwiazd. Europejska misja Gaia dostarczyła precyzyjne odległości i ruchy gwiazd – fundamentalne dane, bez których nie da się umieścić gwiazd na mapie galaktyki z wystarczającą dokładnością.
Wynik analizy ujawnił wzorzec, który na wykresie przybiera kształt litery U. Im dalej od centrum galaktyki, tym gwiazdy są młodsze. Ale ten trend odwraca się na dystansie około 40 tys. lat świetlnych od centrum (odpowiednio 11-12 kiloparseków). Za tym punktem gwiazdy znów stają się coraz starsze. Na samych obrzeżach dysku (50 tys. lat świetlnych od centrum i dalej) dominują najstarsze gwiazdy, wiekiem porównywalne z tymi w centralnych regionach galaktyki.
To oznacza, że na dystansie 40 tys. lat świetlnych od centrum przebiega granica, za którą formowanie nowych gwiazd praktycznie ustaje. Nasza galaktyka, choć rozciąga się na co najmniej 100 tys. lat świetlnych, produkuje nowe gwiazdy tylko w wewnętrznych 80 tys. lat świetlnych średnicy. Dla porównania, słońce leży 26 tys. lat świetlnych od centrum bezpiecznie wewnątrz strefy gwiazdotwórczej.
Gwiazdy, które surfują na falach ramion spiralnych
Jeśli za granicą 40 tys. lat świetlnych nie rodzą się nowe gwiazdy, to skąd w takim razie wzięły się tam te, które obserwujemy? To jedno z najciekawszych pytań, na które badanie daje odpowiedź.
Kolizje z innymi galaktykami zostały przez badaczy wykluczone. Gwiazdy na obrzeżach dysku poruszają się po niemal kołowych orbitach, co oznacza, że muszą się były uformowane wewnątrz dysku galaktycznego. Gdyby zostały wyrzucone przez zderzenie z galaktyką karłowatą, ich orbity byłyby znacznie bardziej wydłużone i chaotyczne.
Zamiast tego działa mechanizm zwany migracją radialną. Ramiona spiralne Drogi Mlecznej nie są strukturami stałymi. To fale gęstości, które krążą wokół centrum galaktyki z nieco inną prędkością niż same gwiazdy. Gdy gwiazda wchodzi w rezon z taką falą, może zyskać dodatkowy moment pędu orbitalnego i zostać przesunięta na większą orbitę dalej od centrum. Trochę jak surfer, który łapie falę i zostaje wyniesiony daleko od miejsca, w którym wszedł do wody.
Proces jest bardzo powolny, bo trwa miliardy lat. Właśnie dlatego gwiazdy na samych obrzeżach dysku są najstarsze: potrzebowały więcej czasu, żeby dotrzeć tak daleko. Młode gwiazdy nie miały jeszcze czasu, żeby wyemigrować na peryferie. Profil w kształcie litery U jest naturalną konsekwencją tego mechanizmu: młode gwiazdy dominują w strefie aktywnego formowania, a stare na obrzeżach, dokąd dotarły po miliardach lat powolnej migracji.
Dlaczego gwiazdy przestają się tam rodzić? Są dwie hipotezy i brak pewności
Najbardziej intrygujące pytanie nie dotyczy tego, gdzie przebiega granica, lecz dlaczego przebiega właśnie tam. I na to pytanie badanie nie daje jednoznacznej odpowiedzi. Fiteni i jego zespół proponują dwie hipotezy.
Pierwsza wiąże się z centralnym barem Drogi Mlecznej – wydłużoną, sztabkową strukturą w centrum galaktyki, która obraca się jak gigantyczne wiosło i wpływa na rozkład gazu w dysku. Szacunki długości baru wahają się od 11 tys. do 15 tys. lat świetlnych promienia. Możliwe, że dynamika baru powoduje gromadzenie się gazu do pewnej odległości od centrum, ale nie dalej. Gdzie gaz się kończy, kończą się narodziny gwiazd.
Druga hipoteza dotyczy wygięcia dysku Drogi Mlecznej. Nasz dysk galaktyczny nie jest idealnie płaski. Na obrzeżach jest wygięty, prawdopodobnie pod wpływem grawitacyjnego oddziaływania z galaktyką karłowatą Sagittarius. To wygięcie może zakłócać warunki konieczne do formowania gwiazd: destabilizować obłoki gazowe, rozrzedzać materię, przerywać procesy kolapsu grawitacyjnego, które prowadzą do narodzin nowych gwiazd.
Przeczytaj także:
Który z tych mechanizmów dominuje (a może oba działają jednocześnie?) to pytanie, na które odpowiedź wymagać będzie kolejnych badań. Zespół Fiteniego zaznacza, że ich praca wyznacza granicę i potwierdza jej istnienie, ale nie rozstrzyga przyczyny.
