Gwiazdy na mlecznej drodze

Trudno być skromnym, jeśli jest się mieszkańcem Drogi Mlecznej.

Nasza Galaktyka jest znacznie większa, jaśniejsza i bardziej masywna niż większość innych. Upstrzony gwiazdami dysk Drogi Mlecznej, który można obserwować nie tylko za pomocą teleskopów optycznych, ale nawet gołym okiem, ma średnicę 120 tys. lat świetlnych. Otacza go inny dysk składający się głównie z wodoru, który można zaobserwować przy użyciu radioteleskopów. A w dodatku wszystko to, co daje się zarejestrować przez teleskop optyczny, jest jeszcze spowite aureolą ciemnej materii, która wymyka się wszelkim metodom obserwacji. Wprawdzie ciemna materia nie świeci, ale ma masę znacznie większą niż łączna masa setek miliardów gwiazd Drogi Mlecznej, co powoduje, że sumaryczna masa naszej Galaktyki jest od jednego do dwóch bilionów razy większa niż masa Słońca. W istocie nasza Galaktyka jest na tyle duża, że tuzin mniejszych galaktyk krąży wokół niej jak księżyce wokół wielkich planet.
Dzięki swym ogromnym rozmiarom Droga Mleczna może pochwalić się co najmniej jedną planetą, na której istnieją inteligentne formy życia. Wielkie galaktyki, takie jak nasza i położona blisko niej jeszcze większa Wielka Mgławica w Andromedzie, potrafią wytworzyć i zgromadzić duże ilości żelaza, tlenu, krzemu, magnezu i innych pierwiastków cięższych niż hel. Pierwiastki te, powstałe w tak licznych w Drodze Mlecznej gwiazdach, są podstawowym budulcem dla planet podobnych do Ziemi.

Pierwiastki te są też ważne dla życia. Weźmy na przykład tlen, którym oddychamy, wapń zawarty w kościach czy żelazo z naszej krwi. Kiedy gwiazda wybucha w małej galaktyce, pierwiastki o podstawowym znaczeniu dla życia zostają wyrzucone w przestrzeń kosmiczną z szybkością milionów kilometrów na godzinę i rozmywają się w bezkresie kosmosu. Ale w Drodze Mlecznej wyrzucone w taki sposób pierwiastki zderzają się z gazem i pyłem międzygwiazdowym i są spowalniane przez pole grawitacyjne Galaktyki. Pod wpływem tych czynników prędkość materii spada na tyle, że zawarte w niej pierwiastki są zdolne wzbogacić obłoki gazu, w których formują się nowe pokolenia gwiazd i planet. Tak się właśnie stało 4,6 mld lat temu, gdy Słońce i Ziemia wyłoniły się z nieistniejącej już mgławicy międzygwiazdowej.

Wszystkie gwiazdy w Drodze Mlecznej krążą wokół czarnej dziury o nazwie Sagittarius A* (,,Sgr A*”). Nasze Słońce, znajdujące się w odległości 27 tys. lat świetlnych od centrum Galaktyki, dokonuje jednego obiegu w ciągu 230 mln lat. Natomiast w odległości zaledwie roku świetlnego od czarnej dziury krąży rój 100 tys. gwiazd trzymanych przez nią w znacznie silniejszym uścisku. Niektóre obiegają ją w cią-gu zaledwie kilku lat. Z analizy torów można wywnioskować, że Sgr A* ma masę 4 mln razy większą niż Słońce, czyli nieco więcej niż się spodziewano jeszcze 10 lat temu. Od czasu do czasu czarna dziura połyka obłok gazu, zbłąkaną planetę lub nawet całą gwiazdę. Tarcie i grawitacja powodują rozgrzanie ofiary do tak wysokiej temperatury, iż zaczyna silnie świecić promieniowaniem rentgenowskim, które z kolei ogrzewa pobliskie obłoki gazowe, rejestrując w ten sposób historię wyczynów czarnej dziury. Na przykład w 2004 r. naukowcy donieśli o odkryciu rentgenowskiego echa w obłokach gazowych położonych w odległości około 350 lat świetlnych od czarnej dziury. Ponieważ promieniowanie rentgenowskie rozchodzi się z szybkością światła, obecność echa jest dowodem, iż jakieś ciało wpadło do czarnej dziury 350 lat wcześniej.

Ciekawe, że czarna dziura potrafi także wyrzucać gwiazdy na dużą odległość od siebie. W 2005 r. astronomowie donieśli o odkryciu niezwykle szybko przemieszczającej się gwiazdy położonej 200 tys. lat świetlnych od centrum Galaktyki. – To była wielka niespodzianka – mówi Warren Brown z Centrum Astrofizycznego Harvarda-Smithsona. Gwiazda w gwiazdozbiorze Hydra oddalała się od centrum Galaktyki z szybkością 709 km/s. To wystarczało, żeby mogła wyrwać się spod wpływu jej pola grawitacyjnego i pożeglować w przestrzeń międzygalaktyczną.
Jack Hills już dawno przewidział takie zjawisko. – Zaskoczyło mnie raczej to, że tyle czasu minęło, nim rzeczywiście je zaobserwowano – mówi Hills – ale oczywiście jestem zachwycony. W pracy z 1988 r. Hills napisał, że gdy gwiazda podwójna, czyli układ dwóch gwiazd krążących wokół siebie w niewielkiej odległości, zbytnio zbliży się do Sgr A*, to jedna z nich może wpaść do czarnej dziury lub zejść na znacznie ciaśniejszą orbitę wokół niej, tracąc w ten sposób ogromną energię. Ponieważ zgodnie z prawami fizyki energia musi być zachowana, druga gwiazda otrzyma równie duży zastrzyk energii, co spowoduje, iż zostanie wypchnięta w przestrzeń kosmiczną z ogromną szybkością. W ciągu całej historii Drogi Mlecznej czarna dziura mogła wyrzucić w ten sposób z Galaktyki miliony gwiazd.

Choć otoczeniem czarnej dziury stale wstrząsają gwałtowne wydarzenia, jądro Galaktyki to bardzo płodne miejsce. Gwiazdy są tam rozmieszczone w niewielkich odległościach i wytwarzanych przez nie życiodajnych ciężkich pierwiastków jest tam pod dostatkiem. Nawet w pobliżu naszego Słońca – jasnej żółtej gwiazdy w połowie drogi między czarną dziurą o krawędzią gwiezdnego dysku – wiele nowo narodzonych gwiazd jest otoczonych dyskami gazu lub pyłu, które utrzymują się miliony lat, wystarczająco długo, by mogły się w nich narodzić planety.
Tymczasem szanse na powstanie planet na skraju Galaktyki są niewielkie. W ubiegłym roku Chikako Yasui z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego w Japonii doniósł o odkryciu 111 nowo narodzonych gwiazd na peryferiach Drogi Mlecznej, ponaddwukrotnie dalej od centrum niż znajduje się Słońce. Te młodziaki charakteryzują się niską zawartością ciężkich pierwiastków – zawartość tlenu jest w nich pięciokrotnie mniejsza niż w Słońcu. Choć liczyły sobie zaledwie pół miliona lat, czyli w gwiezdnej skali czasu były niemowlętami, to większość była już otoczona dyskami gazu i pyłu, w których mogą powstawać planety. Nie ma dysków, to nie ma planet, a jak nie ma planet, to nie ma też życia.

Gwiazdy o jeszcze mniejszej zawartości tlenu i żelaza umożliwiają poznanie procesu narodzin samej Galaktyki. Znajdują się one w gwiezdnym halo rozciągającym się nad i pod gwiezdnym dyskiem. Powstały tak dawno, że ich poprzedniczki nie zdołały wytworzyć cięższych pierwiastków. Zawartość żelaza w typowej gwieździe z halo to tylko 3 proc. zawartości żelaza w Słońcu.
Astronomowie zwykle oceniają wiek gwiazd z halo – a tym samym i wiek galaktyki – badając tzw. gromady kuliste. Są to gęsto upakowane skupiska gwiazd tak starych, że najkrócej żyjące gwiazdy wśród nich zdążyły umrzeć. Jednak szacunki co do ich wieku zależą od teoretycznego modelu rozwoju i śmierci gwiazd.
Na szczęście istnieje inny sposób na określenie wieku galaktyki. Anna Frebel, badaczka z Centrum Astrofizycznego Harvarda-Smithsona, poszukuje pojedynczych gwiazd z halo. – Chcę cofnąć się w czasie – mówi Frebel. W 2005 r. odkryła ona gwiazdę należącą do halo, położoną w gwiazdozbiorze Wagi, charakteryzującą się zawartością żelaza tysiąc razy mniejszą niż w Słońcu. To oznacza, że mamy do czynienia z ciałem ukształtowanym bardzo dawno temu, które przypuszczalnie narodziło się z gazu wzbogaconego przez wybuch supernowej. W odróżnieniu od większości supernowych ta musiała wyrzucić duże ilości pierwiastków znacznie cięższych od żelaza, m.in. radioaktywne tor i uran.

Ponieważ te pierwiastki rozpadają się w stałym tempie, porównanie ich koncentracji w gwieździe pozwoliło określić jej wiek: około 13,2 mld lat. Ten wynik zgadza się z wiekiem wyliczonym na podstawie badań gromad kulistych. To pokazuje, że Droga Mleczna jest tylko nieznacznie młodsza niż sam Wszechświat, który liczy sobie 13,7 mld lat. Majestatyczna Galaktyka, której niezliczone gwiazdy sprowadziły kiedyś życie na Ziemię, nie zwlekała długo z przyjściem na świat.