Najbiedniejszy w metale strumień gwiazd w Drodze Mlecznej zadziwia naukowców

W zewnętrznych rejonach Drogi Mlecznej astronomowie wypatrzyli wyjątkowo ubogi w metale strumień gwiazd, który podważa dotychczasowe modele powstawania galaktyk.

Ten delikatny ślad na niebie, oznaczony jako C-19, wygląda niepozornie, ale niesie w sobie historię sprzed miliardów lat. Badacze są przekonani, że może to być jeden z najstarszych śladów po zderzeniach i przejęciach małych galaktyk przez naszą Drogę Mleczną, a przy okazji świetne narzędzie do badania ciemnej materii.

C-19 – niezwykle stary i ekstremalnie „ubogi” kosmiczny ślad

Strumienie gwiazd to wydłużone struktury, powstające, gdy małe galaktyki karłowate lub gromady kuliste wpadają w grawitacyjne sidła większej galaktyki. Z czasem są rozciągane i rozrywane, a ich gwiazdy układają się w długie pasma, które otulają galaktykę niczym pierścienie.

C-19 jest właśnie takim pasmem, ale wyróżnia się jedną cechą, która natychmiast przykuła uwagę badaczy: ma rekordowo niską zawartość metali. W astronomii „metalami” nazywa się wszystkie pierwiastki cięższe od wodoru i helu. Im mniej metali, tym gwiazda jest starsza i bliższa składem do pierwszych pokoleń gwiazd we Wszechświecie.

Przeczytaj również: Gigantyczne kolosy sprzed drzew: tajemnicze życie, które zniknęło z Ziemi

C-19 ma metaliczność poniżej -3,0 dex, co czyni go najuboższą w metale znaną populacją gwiazd w naszej galaktyce – prawdziwym oknem na czasy, gdy Droga Mleczna dopiero się formowała.

Strumień znajduje się około 58 700 lat świetlnych od Ziemi i ma ponad 650 lat świetlnych grubości . Na niebie ciągnie się łukiem przekraczającym 100 stopni , czyli znacznie więcej niż rozpiętość konstelacji Oriona. To plasuje C-19 w gronie największych znanych strumieni gwiazd.

Szacowana masa strumienia sięga 40–50 tysięcy mas Słońca . Mówimy więc o obiekcie stosunkowo niewielkim jak na kosmiczne standardy, ale wystarczająco masywnym, by przechować w sobie ślady z bardzo wczesnych etapów historii Drogi Mlecznej.

Przeczytaj również: Norwegowie kopią w ziemi i trafiają na „piwnicę” sprzed 400 lat

DESI – instrument, który „przeskanował” miliony gwiazd

Aby wyłowić tak subtelną strukturę z tła setek miliardów gwiazd, badacze wykorzystali zaawansowany instrument DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) , pracujący na 4-metrowym teleskopie Mayalla w Kitt Peak National Observatory w Arizonie.

DESI to wieloobiektowy spektrograf nowej generacji. Potrafi jednocześnie mierzyć widma tysięcy gwiazd i galaktyk. Widmo mówi astronomom, jak szybko obiekt się porusza oraz jaki ma skład chemiczny.

Przeczytaj również: Egzotyczne imię Zia: krótkie, świetliste i pełne znaczeń

Dzięki DESI zespół zmierzył prędkości radialne i metaliczności dla ponad 10 milionów gwiazd, docierając do znacznie słabszych obiektów, niż umożliwiały wcześniejsze przeglądy nieba.

Astronomowie zastosowali tzw. modele mieszane: porównywali ruchy i skład chemiczny gwiazd, by odseparować te należące do halo Drogi Mlecznej od tych tworzących jednolity strumień. W ten sposób wytypowali kandydatów na członków C-19 i odtworzyli jego przebieg w przestrzeni.

Analiza opublikowana w serwisie arXiv 11 marca wykazała, że C-19 ma stosunkowo dużą dyspersję prędkości – 7,8 km/s . To dużo jak na typowy strumień pochodzący z gromady kulistej, gdzie gwiazdy zazwyczaj poruszają się w znacznie bardziej uporządkowany sposób.

Strumień, który jest „gorący” kinematycznie

W żargonie astronomicznym C-19 określa się jako „kinematycznie gorący”. Oznacza to, że gwiazdy wewnątrz strumienia poruszają się względem siebie z dużymi względnymi prędkościami. Taka cecha częściej pojawia się u szczątków galaktyk karłowatych niż w pozostałościach gromad kulistych.

Wysoka dyspersja może sugerować, że pierwotny obiekt był bardziej rozległy i złożony, a jego gwiazdy miały szerszy zakres prędkości. W przypadku małych, kompaktowych gromad kulistych taki efekt jest mniej spodziewany.

Dla badaczy to ważny trop. Jeśli C-19 okaże się pozostałością galaktyki karłowatej, będziemy mieli do czynienia z wyjątkowo prymitywną, niemal „zamrożoną w czasie” galaktyką, którą Droga Mleczna rozerwała miliardy lat temu.

Zagadkowy „odgałęziony” fragment strumienia

Najbardziej intrygującym elementem struktury C-19 jest tzw. „spur”, czyli boczne odgałęzienie od głównego strumienia. Ten fragment znajduje się około 1000 lat świetlnych od głównej osi i rozciąga się na mniej więcej 3000 lat świetlnych .

Gwiazdy w tej części różnią się nieco położeniem i prędkościami od reszty strumienia. To każe sądzić, że ich historia nie była całkiem liniowa.

Odgałęzienie sugeruje, że progenitor C-19 mógł przejść bardziej złożoną ewolucję – na przykład zderzenie lub silne spotkanie z innym obiektem w halo galaktycznym.

Badacze rozważają kilka scenariuszy: od rozerwania galaktyki karłowatej o nieregularnej budowie, po efekt bliskiego przejścia przez obszar silnie zniekształcony przez ciemną materię. Każdy z nich wymaga zaawansowanych symulacji numerycznych, które są obecnie w toku.

Gromada kulista czy miniaturowa galaktyka?

Pochodzenie C-19 nie jest jeszcze przesądzone. Dane wskazują na dwa możliwe typy obiektu macierzystego:

• gromada kulista – tłumaczy bardzo niską metaliczność, typową dla najstarszych gromad w halo;
• galaktyka karłowata – lepiej pasuje do dużej dyspersji prędkości oraz obecności bocznego odgałęzienia.

W zależności od tego, który scenariusz się potwierdzi, wnioski o wczesnej historii Drogi Mlecznej będą różne. Gromada kulista sugerowałaby, że już bardzo dawno nasza galaktyka miała zdolność tworzenia ekstremalnie starych skupisk gwiazd na własnym terenie. Miniaturowa galaktyka oznaczałaby z kolei, że Droga Mleczna „wchłaniała” prymitywne sąsiadki niemal od samego początku swojego istnienia.

Co C-19 mówi o ciemnej materii

Strumienie gwiazd funkcjonują w astronomii jak nitki proszku, które pozwalają zobaczyć ruch powietrza. Ich kształty i rozcięcia zdradzają, jak rozmieszczona jest masa w halo galaktycznym – zarówno zwykła, jak i ciemna.

Extremalnie stary i metalicznie ubogi strumień jak C-19 być może pamięta warunki panujące w halo Drogi Mlecznej z czasów, gdy galaktyka miała zaledwie ułamek obecnej masy. To bezcenny zapis dynamiki ciemnej materii w bardzo odległej przeszłości kosmicznej.

Jak laik może to sobie wyobrazić

Dla osoby, która na co dzień nie zajmuje się astronomią, pojęcia typu „metaliczność -3 dex” brzmią dość abstrakcyjnie. W praktyce oznacza to, że gwiazdy w C-19 zawierają nawet tysiąc razy mniej ciężkich pierwiastków niż Słońce. To tak, jakby porównać prymitywny, kamienny topór z nowoczesnym wielofunkcyjnym narzędziem – oba tną, ale ich „technologia” dzieli całe tysiąclecia.

Strumień gwiazd można natomiast zobaczyć oczami wyobraźni jako smugę iskier pozostałą po fajerwerku. Różnica jest taka, że zamiast sekund mówimy o miliardach lat, a zamiast kilku metrów – o dziesiątkach tysięcy lat świetlnych.

W najbliższych latach podobnych struktur zostanie zapewne zidentyfikowanych znacznie więcej, dzięki takim projektom jak DESI czy europejski satelita Gaia. Każda kolejna „smuga iskier” w halo Drogi Mlecznej dopisze nowy wątek do historii naszej galaktyki i pomoże lepiej zrozumieć rolę ciemnej materii w jej kształtowaniu.