Jak powstawała Droga Mleczna? Cofnęli czas o 12 miliardów lat
Droga Mleczna nie zawsze była majestatyczną galaktyką spiralną, którą znamy dzisiaj. W pierwszych miliardach lat istnienia Wszechświata obszar, w którym obecnie znajduje się nasz kosmiczny dom, przypominał raczej chaotyczne skupisko tysięcy mniejszych galaktyk, obłoków gazu i pozostałości po umarłych gwiazdach. Teraz naukowcy stworzyli niezwykle szczegółowe symulacje komputerowe, które pozwalają prześledzić, jak z tego kosmicznego chaosu wyłoniła się Droga Mleczna.
W początkach istnienia wszechświata nasza kosmiczna okolica, która ostatecznie stała się Drogą Mleczną, była zbiorem tysięcy mniejszych galaktyk. Niektóre produkowały tony nowych gwiazd, inne były wypełnione jedynie gazem lub usiane martwymi gwiazdami i czarnymi dziurami.
Dzięki nowym symulacjom przeprowadzonym przez grupę naukowców pod kierownictwem Harleya Katza, adiunkta astronomii i astrofizyki na Uniwersytecie w Chicago, można wreszcie zobaczyć, jak galaktyki te z czasem się połączyły i uformowały znany nam spiralny dysk, jaki widzimy dzisiaj.
Symulacje, których przeprowadzenie na najnowocześniejszych superkomputerach zajęło trzy lata, stanowią jak dotąd najbardziej szczegółowy model tego, w jaki sposób galaktyka taka jak Droga Mleczna mogła ewoluować w ciągu pierwszych kilku miliardów lat swojego istnienia.
Po raz pierwszy możemy bezpośrednio przewidzieć, jak wyglądałaby wczesna Droga Mleczna w teleskopach takich jak Hubble czy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba - mówi Katz.
Sześć artykułów z projektu o nazwie MEGATRON rzuca nowe światło na historię galaktyk, które utworzyły Drogę Mleczną. Artykuły zostały opublikowane w czasopiśmie The Open Journal of Astrophysics.
Jak Droga Mleczna ewoluuje w czasie
Ponieważ nie możemy cofnąć się do początków wszechświata, aby go badać, jednym z niewielu sposobów, aby zrozumieć, jak przestrzeń kosmiczna zmieniała się w czasie, jest zbudowanie szczegółowych modeli komputerowych opartych na naszej wiedzy o prawach natury.
Uwzględniamy wszystkie zjawiska fizyczne, które naszym zdaniem są istotne, grawitację, hydrodynamikę, promieniowanie, chemię itd., a następnie pozwalamy im się rozwijać i sprawdzamy, czy odzwierciedlają to, co faktycznie widzimy dzisiaj wokół siebie - powiedział Katz.
Nowe dane napływające z potężnego Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba wzbogaciły naszą wiedzę o Wszechświecie o nowy wymiar. Dlatego trzy lata temu zespół naukowców podjął się projektu, którego celem było włączenie tej nowo zdobytej wiedzy do modelu, który przedstawiałby, jak mogła wyglądać nasza galaktyka w pierwszym miliardzie lat swojego istnienia. Teraz naukowcy mogą porównać go z odczytami uzyskanymi przez Teleskop Webba dzisiaj, aby sprawdzić, co się zgadza, a czego brakuje.
Naukowcy twierdzą, że gdyby cofnąć czas, ujrzelibyśmy sieć dużych i małych galaktyk wszelkiego typu, które ostatecznie połączą się we współczesną Drogę Mleczną.
W ich obrębie widać niesamowitą różnorodność. Niektóre z nich eksplodują w procesie formowania się gwiazd, inne są martwe, a jeszcze inne są w trakcie obumierania - opisuje Katz.
Jednym z unikatowych odkryć było to, że model przewiduje istnienie galaktyk, które w ogóle nie mają gwiazd, ale nadal świecą. Niektóre z nich mogły kiedyś mieć gwiazdy, które eksplodowały lub zapadały się bezpośrednio w czarne dziury, inne mogły zawierać jedynie gaz.
Pierwsze gwiazdy pozostawiły ślad w składzie Drogi Mlecznej
Symulacje MEGATRON pomagają również wyjaśnić jedną z zagadek astrofizyki gwiazdowej. Astronomowie od dawna wiedzą, że mniejsze i słabiej świecące galaktyki zazwyczaj zawierają mniej żelaza niż większe układy. W bardzo słabych galaktykach ta zależność przestaje jednak obowiązywać. Zawartość żelaza może pozostawać zbliżona, nawet jeśli galaktyki różnią się masą.
Dotychczasowe symulacje miały problem z odtworzeniem tego zjawiska. Nowy model wskazuje, że istotną rolę mogły odegrać pierwsze gwiazdy we Wszechświecie, określane jako gwiazdy populacji III. Były to obiekty powstałe z pierwotnej materii, składającej się niemal wyłącznie z wodoru i helu. W przeciwieństwie do współczesnych gwiazd nie zawierały praktycznie cięższych pierwiastków, które astronomowie określają zbiorczo mianem metali.
Pierwsze gwiazdy mogły osiągać ogromne masy i kończyć swoje życie w niezwykle energetycznych eksplozjach supernowych. W trakcie takich wydarzeń do otaczającej przestrzeni trafiały pierwiastki powstałe w procesach zachodzących we wnętrzach gwiazd, w tym żelazo. W niektórych przypadkach eksplozje te mogły wytwarzać go więcej niż typowe supernowe pochodzące od późniejszych pokoleń gwiazd.
Znaczenie miała przy tym masa galaktyki, w której dochodziło do eksplozji. Większe układy dysponują silniejszą grawitacją, która pozwala im zatrzymać część ciężkich pierwiastków wyrzuconych przez umierające gwiazdy. W przypadku mniejszych galaktyk materia może zostać wyrzucona w przestrzeń międzygalaktyczną, zanim zdąży wzbogacić kolejne pokolenia gwiazd.
Według symulacji to właśnie eksplozje pierwszych gwiazd mogły doprowadzić do nietypowego rozkładu żelaza w najmniejszych galaktykach. Wyniki te pokazują, że procesy zachodzące na samym początku istnienia Wszechświata mogły mieć wpływ na skład chemiczny obiektów, które obserwujemy miliardy lat później.
Wszechświat nie działał według uproszczonych reguł
Cechą charakterystyczną tych symulacji jest to, że są o wiele bardziej złożone niż cokolwiek, czego próbowano wcześniej.
Wyjątkowość naszej symulacji polega na tym, że po raz pierwszy modelowaliśmy wzbogacanie pojedynczych pierwiastków chemicznych z poszczególnych gwiazd po Wielkim Wybuchu, w powiązaniu ze szczegółowymi modelami grawitacji, chemii, promieniowania i procesów gwiezdnych - powiedział Katz.
Istotną nowością w symulacjach MEGATRON jest również uwzględnienie tak zwanej fizyki nierównowagowej. W wielu wcześniejszych modelach zakładano, że skład chemiczny gazu i zachodzące w nim reakcje znajdują się w stanie równowagi lub bardzo szybko do niego dążą. Takie uproszczenie pozwala znacząco skrócić czas obliczeń, ale nie zawsze odzwierciedla rzeczywiste warunki panujące w dynamicznie zmieniającym się Wszechświecie.
W rzeczywistości gaz w galaktykach nieustannie się przemieszcza, nagrzewa, ochładza i reaguje na promieniowanie emitowane przez gwiazdy. Zmiany te mogą zachodzić na tyle szybko, że skład chemiczny materii nie zdąży osiągnąć równowagi. Pominięcie tych procesów może prowadzić do błędnych wniosków na temat tego, jak galaktyki gromadzą materię i w jaki sposób powstają w nich kolejne gwiazdy.
W dwóch publikacjach będących częścią projektu wykazano, że uwzględnienie fizyki nierównowagowej ma istotny wpływ na wyniki symulacji, zwłaszcza w przypadku gazu otaczającego galaktyki. Obszar ten nazywany jest ośrodkiem okołogalaktycznym. To rozległe środowisko, w którym materia może zarówno napływać do galaktyki, dostarczając paliwa do formowania gwiazd, jak i być z niej wyrzucana przez intensywne procesy energetyczne.
Dokładniejsze modelowanie tego środowiska pozwala lepiej zrozumieć, w jaki sposób galaktyki pozyskują gaz i dlaczego jedne z nich nadal intensywnie tworzą gwiazdy, podczas gdy inne stopniowo przestają być aktywne. Jest to szczególnie ważne przy interpretowaniu obserwacji odległych obiektów, ponieważ światło docierające do teleskopów zawiera informacje o procesach zachodzących w różnych etapach ich ewolucji.
Włączenie tak szczegółowych obliczeń wiąże się jednak z ogromnym zapotrzebowaniem na moc obliczeniową. Każdy dodatkowy proces fizyczny zwiększa złożoność modelu, a w przypadku symulowania tysięcy galaktyk i miliardów lat ich ewolucji nawet niewielkie komplikacje mogą znacząco wydłużyć czas pracy superkomputerów.
Głowna ilustracja: Korzystając z potężnych superkomputerów, naukowcy stworzyli obszerną symulację tego, jak mogła wyglądać Droga Mleczna dawno temu - chaotyczny proces stygnięcia gorącego gazu, kondensacji i eksplozji, powtarzany w nieskończoność. Kolor fioletowy oznacza gorący gaz; biały promieniowanie UV z gwiazd; żółty - świecące, gorące atomy tlenu. Zdjęcie dzięki uprzejmości Harley Katz/MEGATRON Collaboration
Dziennikarz Spider's Web. Specjalizuje się w tematyce militariów i obronności. Pisze również o nauce - głownie o kosmosie. Jest pasjonatem lotnictwa, broni pancernej i miłośnikiem symulatorów. Interesuje się historią konfliktów oraz Chin i Wietnamu w XX wieku. Dziennikarzem jest od 1998 roku. Pracował w Super Expressie, Gazecie Wyborczej, Purepc. Jest autorem trzech książek poświęconych wojnie w Wietnamie. Prywatnie interesuje się również fizyką, grami, kotami i kolarstwem górskim.