Pierwsza kosmiczna mapa pogody już działa. Można planować urlop na Marsie

Przestrzeń między Słońcem a sąsiednimi gwiazdami nie jest pusta i spokojna. Wypełnia ją gaz, który chłodzi się, nagrzewa, zagęszcza i ponownie rozprasza. Astronomowie po raz pierwszy rozrysowali ten układ w trzech wymiarach. Okazało się, że najbliższa część Drogi Mlecznej przypomina nie stabilną układankę, lecz pogodę, która nigdy nie może się zdecydować.

Mapa obejmuje obszar o średnicy 1 kiloparseka, czyli około 3260 lat świetlnych, ze Słońcem umieszczonym w środku. To wciąż niewielki fragment Drogi Mlecznej, której dysk rozciąga się na ponad 100 tys. lat świetlnych, ale dla człowieka jest to ogromna część galaktycznego sąsiedztwa. Badacze podzielili przestrzeń na komórki o boku dwóch parseków, czyli około 6,5 roku świetlnego. Każdej przypisali 1 z 3 kategorii: gaz zimny, ciepły albo niestabilny termicznie.

Nie oznacza to, że wysłano tysiące termometrów między gwiazdy. Mapa jest rekonstrukcją stworzoną z kilku różnych zestawów danych. Najpierw naukowcy wykorzystali trójwymiarowy obraz pyłu międzygwiazdowego. Pył zdradza położenie gazu, ponieważ pochłania i rozprasza światło gwiazd. Znając odległość do konkretnych gwiazd oraz stopień ich przyciemnienia, można oszacować, gdzie na drodze znajduje się materia.

Tu kluczową rolę odegrały dane misji Gaia, która przez lata mierzyła położenie i odległość miliardów gwiazd. Jak pisaliśmy przy okazji trójwymiarowej mapy gwiezdnych żłobków Drogi Mlecznej, światło odległych obiektów działa jak lampa prześwietlająca zasłaniające je obłoki.

Do mapy pyłu naukowcy dołożyli nowy model promieniowania ultrafioletowego. Uwzględnia on pojedyncze masywne i gorące gwiazdy typu O oraz B znajdujące się w odległości do 1 kiloparseka. To właśnie ich promieniowanie jest jednym z głównych źródeł ogrzewania neutralnego gazu.

Na końcu informacje o zagęszczeniu materii i ilości docierającego promieniowania trafiły do modelu termochemicznego. Dopiero on określił, czy gaz w danym miejscu powinien pozostawać ciepły, schłodzić się, czy utknąć w niestabilnym stanie pomiędzy nimi. To zatem bardziej prognoza meteorologiczna oparta na pomiarach ciśnienia, wilgotności i nasłonecznienia, niż zdjęcie z kamery termowizyjnej.

Klasyczny model zakłada, że neutralny gaz międzygwiazdowy najchętniej wybiera 1 z 2 stabilnych stanów. Pierwszy to zimny ośrodek neutralny. Ma temperaturę zwykle od około 100 do 300 K i tworzy stosunkowo gęste chmury. Słowo gęste należy tu oczywiście rozumieć w skali kosmicznej. Nadal jest tam znacznie mniej atomów niż w najlepszej próżni, jaką potrafimy uzyskać na Ziemi. Drugi to ciepły ośrodek neutralny, osiągający od około 6000 do 9000 K. Jest znacznie bardziej rozrzedzony i zajmuje większość dostępnej objętości między chmurami.

Między nimi znajduje się szeroki przedział, w którym gaz nie powinien pozostawać długo. Niewielkie zaburzenie ma sprawić, że zacznie się on ochładzać i zagęszczać albo rozgrzewać i rozpraszać. W klasycznym obrazie byłby to więc tylko krótki etap przejściowy, kosmiczny odpowiednik wody, która właśnie zaczyna zamarzać lub parować.

Nowa mapa pokazuje jednak, że niestabilny gaz nie występuje wyłącznie w pojedynczych, przypadkowych miejscach. Tworzy spójne powłoki oplatające zimne obłoki i oddzielające je od rozległego ciepłego otoczenia.

Zimna chmura nie ma więc ostrej granicy, po której nagle zaczyna się zupełnie inny rodzaj przestrzeni. Otacza ją strefa przejściowa. W jej wnętrzu gaz nie jest już wystarczająco gęsty, by skutecznie się chłodzić, ale nadal pozostaje częściowo osłonięty pyłem przed promieniowaniem gwiazd. Dopiero dalej zaczyna dominować ciepły, rozproszony ośrodek.

Największym zaskoczeniem nie jest sam wygląd obłoków, lecz proporcje. W warstwie rozciągającej się do 150 parseków, czyli około 489 lat świetlnych, nad i pod płaszczyzną Drogi Mlecznej zimny gaz odpowiada za około 27 proc. masy neutralnego ośrodka. Ciepły stanowi około 32 proc. Pozostałe 41 proc. przypada na kategorię niestabilną.

To właśnie ona jest największym pojedynczym składnikiem. Zamiast niewielkiej ilości materii błyskawicznie przechodzącej między dwoma stabilnymi stanami astronomowie zobaczyli ogromny rezerwuar gazu, który ciągle znajduje się gdzieś pośrodku.

Nie oznacza to, że ten sam atom tkwi w zawieszeniu przez miliardy lat. Materia krąży między kategoriami. Gaz zostaje ściskany przez fale uderzeniowe, turbulencje i ruchy dużych obłoków. Zaczyna się ochładzać, trafia do zimniejszych struktur, a później może zostać ponownie ogrzany przez promieniowanie młodych gwiazd, wiatry gwiazdowe lub eksplozje supernowych.

Według badaczy pełny cykl może trwać od około 2,9 do 6 mln lat. W ludzkiej skali to niemal wieczność. Dla Drogi Mlecznej jest to jednak rytm dość szybki – porównywalny z czasem życia najmasywniejszych gwiazd. Nasza okolica nie jest więc statyczną dekoracją, przez którą spokojnie przelatuje Układ Słoneczny. To raczej żywy, nieustannie przestawiany krajobraz gazu, który cały czas się miesza i zmienia.

Drugi niespodziewany wynik dotyczy wnętrza zimnych chmur. To właśnie z takich zagęszczeń powstają obłoki molekularne, a później gwiazdy i układy planetarne. W wielu modelach przyjmuje się, że zimny gaz jest silnie wzburzony. Turbulencje naddźwiękowe miały ściskać materię, tworzyć bardzo duże różnice w jej gęstości i przygotowywać miejsca, które później zapadną się pod wpływem grawitacji.

Nowa mapa wskazuje, że wnętrza zimnych obłoków mogą być znacznie spokojniejsze. Wyliczona liczba Macha wynosi od około 0,5 do 1,5. Oznacza to ruch od poddźwiękowego do najwyżej umiarkowanie naddźwiękowego. Ten wynik nie pasuje do wizji chmury jako kotła pełnego niezwykle gwałtownych turbulencji. Bardziej prawdopodobny staje się scenariusz, w którym poszczególne zimne struktury są stosunkowo spokojne wewnątrz, ale całe obłoki poruszają się względem siebie i otaczającego je gazu.

Część wcześniejszych pomiarów mogła więc mieszać dwa zjawiska: turbulencje wewnątrz pojedynczego obłoku oraz prędkości wielu różnych chmur nałożonych na siebie wzdłuż tej samej linii obserwacji. Jak pisaliśmy w tekście: Potężne turbulencje deformują obrazy gwiazd. Winna jest nasza galaktyka, ośrodek międzygwiazdowy rzeczywiście potrafi być bardzo dynamiczny. Nowe badanie nie przeczy temu chaosowi. Przesuwa go jedynie z wnętrza zimnych chmur na większą skalę, gdzie całe struktury wymieniają masę i energię z otoczeniem.

Wiele modeli powstawania gwiazd zaczyna obliczenia właśnie od założonego poziomu turbulencji w zimnym gazie. Jeżeli punkt wyjścia jest błędny, to prognozy dotyczące tempa narodzin gwiazd również mogą wymagać poprawki.

Mapa obejmuje otoczenie Układu Słonecznego, ale nie należy mylić jej z pełną mapą Lokalnego Bąbla. Słońce znajduje się w ogromnej jamie wyrzeźbionej prawdopodobnie przez serię eksplozji supernowych. W jej wnętrzu gaz jest bardzo rozrzedzony, gorący i w dużej mierze zjonizowany. Jak pisaliśmy w tekście: Wszyscy żyjemy w bańce. Bąbel ma średnicę 1000 lat świetlnych, na krawędzi tej struktury znajdują się liczne młode gwiazdy oraz obłoki, które mogły zostać ściśnięte przez kolejne fale uderzeniowe.

Nowa rekonstrukcja skupia się natomiast na neutralnym gazie i materii śledzonej za pomocą pyłu. Nie opisuje dokładnie całego gorącego, zjonizowanego wnętrza Lokalnego Bąbla. Ten składnik zajmuje dużą objętość, ale ma niewielką masę, dlatego w analizie faz neutralnych pozostaje na dalszym planie.

Przeczytaj także:

Mimo tego mapa pozwala lepiej zrozumieć otoczenie bańki, zimne struktury zanurzone w cieplejszym gazie i miejsca, w których materia może przechodzić z jednego stanu do drugiego.

W samym Lokalnym Bąblu odkrywano już zresztą osobliwe kanały. Jak pisaliśmy w tekście: Zaskakujące odkrycie astronomów. Natrafili na tunel łączący nasz układ słoneczny z innymi gwiazdami, obserwacje rentgenowskie ujawniły wydłużone struktury łączące gorące regiony ośrodka międzygwiazdowego.

Zaczyna się więc z tego wyłaniać obraz galaktycznego sąsiedztwa pełnego tuneli, bąbli, chłodnych wysp i niestabilnych powłok. Zdecydowanie daleki od dawnej wizji niemal pustej przestrzeni z samotnymi gwiazdami rozmieszczonymi w ogromnych odstępach.