Astronomowie znajdują dziesiątki gwiezdnych „rzecz” w Drodze Mlecznej

Na obrzeżach Drogi Mlecznej astronomowie dostrzegli delikatne smugi gwiazd, które zachowują się jak kosmiczne ślady na śniegu.

Te subtelne struktury, ciągnące się za starożytnymi gromadami gwiazd, okazały się znacznie liczniejsze, niż ktokolwiek przypuszczał. Ich analiza otwiera nowe możliwości badania przeszłości naszej galaktyki i tego, jak rozkłada się w niej ciemna materia.

Gwiezdne strumienie: jak wyglądają „ślady opon” w kosmosie

Droga Mleczna to setki miliardów gwiazd, gaz, pył i ogromny, niewidoczny dla oka rezerwuar ciemnej materii. Patrząc na nią jak na jedno wielkie świecące pasmo, trudno zrozumieć, jak dokładnie działa grawitacja w jej wnętrzu.

Tu na scenę wchodzą gwiezdne strumienie – długie, cienkie wstęgi gwiazd rozciągające się dziesiątki tysięcy lat świetlnych. Powstają, gdy grawitacja Drogi Mlecznej stopniowo „odrywa” gwiazdy od mniejszych układów: karłowatych galaktyk oraz kulistych gromad gwiazd.

Przeczytaj również: Naukowcy „wskrzeszają” płytę CD: tysiąc razy więcej danych na krążku

Gwiezdny strumień to nic innego jak ślad po obiekcie, który krążył wokół Drogi Mlecznej i w trakcie tej podróży tracił po drodze swoje gwiazdy.

Oderwane gwiazdy nie rozbiegają się chaotycznie. Poruszają się po podobnych orbitach, tworząc spójne, smukłe struktury. Ich kształt, grubość i zakrzywienia odsłaniają, jak rozkłada się masa w galaktyce – również ta, której nie widzimy, czyli ciemna materia.

Skok z mniej niż 20 do 87 kandydatów

Przez lata astronomowie znali zaledwie kilkanaście gwiezdnych strumieni powiązanych z istniejącymi do dziś gromadami kulistymi. To szczególny typ obiektów, bo oprócz samej wstęgi gwiazd widać też „źródło” – zwartą gromadę, z której one uciekają.

Przeczytaj również: Brazylijskie mokradła ukryte za Amazonią: cichy gigant magazynuje węgiel

Nowa analiza danych przyniosła ogromny wzrost liczby takich obiektów. Zespół badawczy wytypował aż 87 kandydatów na strumienie powiązane z żyjącymi wciąż gromadami kulistymi. To jakościowa zmiana: zamiast pojedynczych ciekawostek mamy dużą próbkę, na której można szukać wzorów i zależności.

Naukowcy zaznaczają, że nie wszystkie z tych 87 struktur ostatecznie przejdą testy. Część może wynikać z „zanieczyszczenia” tłem – przypadkowego nałożenia się na siebie gwiazd niezwiązanych ze sobą fizycznie. Nawet z taką poprawką liczba potencjalnych strumieni i tak rośnie kilkukrotnie.

Przeczytaj również: Te dwa znaki zodiaku w marcu wraca do nich nierozwiązana sprawa

Dlaczego te konkretne strumienie są tak cenne

Wiele znanych wcześniej wstęg gwiazd pochodzi od obiektów, które już całkowicie się rozpadły. Źródło zniknęło, został tylko ślad. Przy gromadach kulistych sytuacja jest inna: wciąż istnieje centrum i jego „ogon”.

• gromada kulista – obecne, zwarte „gniazdko” gwiazd
• strumień – rozciągnięty za nią łańcuch zgubionych gwiazd
• wspólna orbita – zarówno gromada, jak i strumień krążą po podobnym torze

Taka konfiguracja pozwala testować modele tego, jak z czasem rozciągają się i rozpadają małe układy w polu grawitacyjnym dużej galaktyki. Daje też szansę dokładniej prześledzić, gdzie konkretnie grawitacja Drogi Mlecznej zachowywała się „nieregularnie” – na przykład pod wpływem skupisk ciemnej materii.

Gromada jak przeciekający worek z piaskiem

Jeden z autorów badań porównał działanie gwiezdnych strumieni do jazdy na rowerze z workiem piasku, w którym zrobiła się dziura. Rower jedzie po określonej trasie, a z worka po drodze wysypują się ziarenka, zostawiając ślad.

Gromada kulista to kosmiczny worek, piasek to jej gwiazdy, a droga rowerzysty to orbita wokół Drogi Mlecznej.

Gromady kuliste to małe, ale bardzo gęste kule złożone z setek tysięcy, czasem milionów starych gwiazd. Są zdecydowanie mniejsze od całej galaktyki, lecz na tyle masywne, że czują silne szarpnięcia ze strony jej grawitacji. Przy każdym zbliżeniu do środka Drogi Mlecznej tracą po kilka, kilkanaście gwiazd, które zostają w tyle lub wybiegają nieco do przodu.

Po miliardach lat taki proces daje elastyczną wstęgę, która owija się wokół galaktyki. Tam, gdzie gwiazdy odrywały się częściej lub mocniej, widać zagęszczenia albo „dziury” w rozkładzie strumienia. To dla astronomów trop prowadzący do szczególnie silnych zaburzeń grawitacyjnych.

Dlaczego te struktury tak trudno wyłowić z tła

W praktyce gwiezdne strumienie giną na tle innych gwiazd. Z perspektywy Ziemi patrzymy przez dysk Drogi Mlecznej jak przez gęstą mgłę świateł. W tej poświacie cienka wstęga wygląda jak nieznaczne zagęszczenie, które łatwo przeoczyć.

Do tego dochodzi problem perspektywy. Część strumieni wydaje się bardzo wąska, inne wyglądają na szerokie i rozmyte, bo biegną niemal w naszym kierunku lub od nas. Bywa też, że zupełnie niezwiązane ze sobą gwiazdy układają się na niebie wzdłuż jednej linii, co imituje prawdziwą strukturę.

Wcześniej wiele takich obiektów udawało się namierzyć niemal przez przypadek. Ktoś przeglądał dane z przeglądów nieba, zobaczył dziwną smużkę i postanowił się jej przyjrzeć. To mało wydajny sposób, jeśli chce się zrozumieć ogólny obraz.

Algorytm StarStream i polowanie „z głową”

Zespół z Uniwersytetu Michigan postanowił przejść na działanie systematyczne. Najpierw przygotował fizyczny model tego, jak powinna wyglądać gromada kulista rozciągana przez grawitację Drogi Mlecznej: gdzie pojawi się zagęszczenie gwiazd, jakie będą miały ruchy, jak zmieni się ich rozkład na niebie.

Na tej podstawie powstał algorytm StarStream. Zamiast szukać czegokolwiek, co „trochę przypomina strumień”, program poluje na bardzo konkretny zestaw sygnałów:

Takie podejście przypomina pracę kryminalistyka, który wie dokładnie, jakich odcisków palców i śladów szuka. Z góry przygotowany obraz „idealnego strumienia” pomaga odsiać przypadkowe układy gwiazd i skupić się na tych, które zachowują się zgodnie z prawami fizyki opisującymi takie struktury.

Gaia – misja, która zmieniła mapę Drogi Mlecznej

Cała ta operacja nie byłaby możliwa bez danych z misji Gaia, prowadzonej przez Europejską Agencję Kosmiczną. Sonda, pracująca od 2014 roku, mierzy pozycje i ruchy miliardów gwiazd z niespotykaną wcześniej precyzją.

Gaia nie tylko robi zdjęcia – ona śledzi każdy niewielki „drgający” ruch gwiazdy na niebie, zamieniając niebo w trójwymiarową, dynamiczną mapę.

Dla gwiezdnych strumieni kluczowe są nie same zdjęcia, lecz informacje o ruchu: prędkościach kątowych, odległościach, kierunkach. Prawdziwa wstęga to grupa gwiazd, które nie tylko leżą w linii, ale też przemieszczają się w podobny sposób i mają wspólną historię orbitalną.

Autorzy nowego katalogu podkreślają, że ich pewność co do poszczególnych kandydatów jest różna. Dla części struktur jakość danych jest jeszcze za słaba lub zbyt mocno miesza się z gwiazdami tła. Powstaje jednak zestaw obiektów, które można celowo obserwować kolejnymi instrumentami – teleskopami naziemnymi czy przyszłymi misjami kosmicznymi.

Co można wyczytać z 87 strumieni

Duża próbka kandydatów otwiera drogę do zadawania pytań, których wcześniej nie dało się sensownie sprawdzić. Porównując różne strumienie, naukowcy chcą sprawdzić między innymi:

• czy właściwości strumieni zmieniają się w zależności od odległości od centrum Drogi Mlecznej,
• które orbity sprzyjają powstawaniu długich, „czystych” wstęg,
• gdzie w rozkładzie ciemnej materii mogą kryć się większe skupiska lub puste obszary,
• jak często gromady kuliste były rozrywane w przeszłości i ile z nich już całkowicie zniknęło.

Nawet kandydaci „problemowi”, z silnym zanieczyszczeniem tłem, okazują się przydatni. Analiza tego, co w nich przeszkadza, pomaga ulepszać algorytmy i strategię przyszłych przeglądów nieba. W kolejnych katalogach odsetek fałszywych alarmów może dzięki temu wyraźnie spaść.

Co dalej: nowe misje, więcej danych, ostrzejszy obraz galaktyki

Autorzy pracy wyraźnie zaznaczają, że mówimy o katalogu kandydatów, a nie listy w pełni potwierdzonych strumieni. Aby potwierdzić ich naturę, potrzebne są między innymi dokładniejsze pomiary prędkości radialnych, głębsze zdjęcia słabszych gwiazd wchodzących w skład wstęg, a także analiza składu chemicznego tych gwiazd.

Moc algorytmu StarStream polega na tym, że można go łatwo dostosować do nowych zestawów danych. Gdy ruszą kolejne duże przeglądy nieba – zarówno kosmiczne, jak i naziemne – oprogramowanie można będzie uruchomić na świeżych katalogach, znacznie gęstszych niż obecne.

W dłuższej perspektywie gwiezdne strumienie mogą stać się codziennym narzędziem do badania struktury Drogi Mlecznej i rozkładu ciemnej materii, trochę jak sejsmolodzy rutynowo używają trzęsień ziemi do badania wnętrza planety. Im więcej takich „kosmicznych pęknięć” zarejestrujemy, tym wyraźniejszy rysunek masy w naszej galaktyce się wyłoni.

Co oznacza to dla przeciętnego obserwatora nieba

Dla zwykłego miłośnika astronomii gwiezdne strumienie pozostaną na razie niewidoczne gołym okiem – są zbyt słabe i rozmyte. Nie oznacza to jednak, że temat można zignorować. To właśnie dzięki takim subtelnym efektom wiemy, że Droga Mleczna jest znacznie masywniejsza, niż wynikałoby z liczby świecących gwiazd.

Warto też pamiętać, że nasz Układ Słoneczny sam krąży w obrębie Drogi Mlecznej i w skali kosmicznej podróżuje przez tę samą przestrzeń, w której rozciągają się te wstęgi. Nie ma to bezpośredniego wpływu na codzienne życie, ale daje ciekawszy obraz miejsca, w którym się znajdujemy – nie w statycznej, idealnie uporządkowanej galaktyce, lecz w dynamicznej strukturze wciąż rzeźbionej przez grawitację.