Nowe badanie ujawniło prawdziwy kształt rozproszonego obłoku gwiazd otaczającego dysk naszej galaktyki. Przez dziesięciolecia astronomowie myśleli, że ten obłok gwiazd – zwany gwiezdnym halo – był w dużej mierze kulisty, jak piłka plażowa. Teraz nowy model oparty na współczesnych obserwacjach pokazuje, że gwiezdne halo jest podłużne i pochylone, podobnie jak piłka nożna, która właśnie została kopnięta.
Odkrycia – opublikowane w tym miesiącu w The Astronomical Journal – dają wgląd w wiele astrofizycznych obszarów tematycznych. Wyniki, na przykład, rzucają światło na historię naszej galaktyki i galaktycznej ewolucji, a jednocześnie dostarczają wskazówek w trwającym polowaniu na tajemniczą substancję znaną jako ciemna materia.
„Kształt gwiezdnego halo jest bardzo podstawowym parametrem, który właśnie zmierzyliśmy z większą dokładnością niż było to możliwe wcześniej” – mówi główny autor badań Jiwon „Jesse” Han, doktorant w Centrum Astrofizyki | Harvarda i Smithsona. „Istnieje wiele ważnych implikacji tego, że gwiezdne halo nie jest kuliste, ale zamiast tego ma kształt piłki nożnej, piłki do rugby lub zeppelina – wybierz, co chcesz!”
„Przez dziesięciolecia ogólne założenie było takie, że gwiezdne halo jest mniej więcej sferyczne i izotropowe lub takie samo we wszystkich kierunkach” – dodaje współautor badań Charlie Conroy, doradca Hana i profesor astronomii na Uniwersytecie Harvarda oraz Centrum Astrofizyki. „Teraz wiemy, że podręcznikowy obraz naszej galaktyki osadzony w sferycznej objętości gwiazd musi zostać wyrzucony”.
Gwiezdne halo Drogi Mlecznej jest widoczną częścią tego, co szerzej nazywa się halo galaktyczne. To galaktyczne halo jest zdominowane przez niewidzialną ciemną materię, której obecność można zmierzyć jedynie poprzez wywieraną przez nią grawitację. Każda galaktyka ma swoje własne halo ciemnej materii. Te aureole służą jako rodzaj rusztowania, na którym zawieszona jest zwykła, widzialna materia. Z kolei ta widoczna materia tworzy gwiazdy i inne obserwowalne struktury galaktyczne. Aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób galaktyki tworzą się i wchodzą w interakcje, a także leżącą u podstaw natury ciemnej materii, gwiezdne halo są odpowiednio cennymi celami astrofizycznymi.
„Gwiezdne halo jest dynamicznym śladem galaktycznego halo” – mówi Han. „Aby dowiedzieć się więcej o halo galaktycznym w ogóle, a zwłaszcza o galaktycznym halo i historii naszej własnej galaktyki, gwiezdne halo jest świetnym miejscem do rozpoczęcia”.
Jednak poznanie kształtu gwiezdnego halo Drogi Mlecznej od dawna stanowi wyzwanie dla astrofizyków z tego prostego powodu, że jesteśmy w nim osadzeni. Gwiezdne halo rozciąga się kilkaset tysięcy lat świetlnych powyżej i poniżej wypełnionej gwiazdami płaszczyzny naszej galaktyki, w której znajduje się nasz Układ Słoneczny.
„W przeciwieństwie do zewnętrznych galaktyk, gdzie po prostu patrzymy na nie i mierzymy ich halo” – mówi Han – „brakuje nam tego samego rodzaju powietrznej, zewnętrznej perspektywy halo naszej własnej galaktyki”.
Jeszcze bardziej komplikując sprawę, gwiezdne halo okazało się dość rozproszone i zawiera tylko około jednego procenta masy wszystkich gwiazd w galaktyce. Jednak z biegiem czasu astronomom udało się zidentyfikować wiele tysięcy gwiazd zamieszkujących to halo, które różnią się od innych gwiazd Drogi Mlecznej ze względu na ich charakterystyczny skład chemiczny (możliwy do zmierzenia na podstawie badań ich światła), a także odległości i ruchy w poprzek niebo. Dzięki takim badaniom astronomowie zdali sobie sprawę, że gwiazdy halo nie są równomiernie rozmieszczone. Od tego czasu celem było zbadanie wzorców nadmiernej gęstości gwiazd – pojawiających się przestrzennie jako wiązki i strumienie – aby ustalić ostateczne pochodzenie gwiezdnego halo.
Nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z CfA i współpracowników wykorzystuje dwa główne zbiory danych zebrane w ostatnich latach, które jak nigdy dotąd badały gwiezdne halo.
Pierwszy zestaw pochodzi z Gaia, rewolucyjnego statku kosmicznego wystrzelonego przez Europejską Agencję Kosmiczną w 2013 roku. Gaia kontynuowała zbieranie najdokładniejszych pomiarów pozycji, ruchów i odległości milionów gwiazd w Drodze Mlecznej, w tym niektórych pobliskich gwiezdnych halo .
Drugi zestaw danych pochodzi z H3 (Hectochelle in the Halo at High Resolution), naziemnego badania przeprowadzonego w MMT, zlokalizowanego w Obserwatorium Freda Lawrence’a Whipple’a w Arizonie, we współpracy między CfA i University of Arizona. H3 zebrał szczegółowe obserwacje dziesiątek tysięcy gwiezdnych gwiazd halo, które znajdują się zbyt daleko, by Gaia mogła je ocenić.
Połączenie tych danych w elastyczny model, który pozwolił wyłonić kształt gwiezdnego halo ze wszystkich obserwacji, dało zdecydowanie niesferyczne halo – a kształt piłki nożnej ładnie współgra z innymi dotychczasowymi odkryciami. Na przykład kształt niezależnie i silnie zgadza się z wiodącą teorią dotyczącą powstawania gwiezdnego halo Drogi Mlecznej.
Zgodnie z tym schematem, gwiezdne halo powstało, gdy samotna galaktyka karłowata zderzyła się 7-10 miliardów lat temu z naszą znacznie większą galaktyką. Odeszła galaktyka karłowata jest zabawnie znana jako Gaia-Sausage-Enceladus (GSE), gdzie „Gaia” odnosi się do wspomnianego statku kosmicznego, „Kiełbasa” to wzór pojawiający się podczas kreślenia danych Gai, a „Enceladus” to grecki mitologiczny gigant, który był pochowany pod górą – podobnie jak GSE został pochowany w Drodze Mlecznej. W wyniku tego galaktycznego zderzenia galaktyka karłowata została rozerwana, a jej składowe gwiazdy rozrzucone w rozproszone halo. Taka historia pochodzenia wyjaśnia nieodłączną odmienność gwiezdnych gwiazd halo od gwiazd urodzonych i wyhodowanych w Drodze Mlecznej.
Wyniki badania stanowią dalszą kronikę tego, jak GSE i Droga Mleczna wchodziły w interakcje eony temu. Kształt piłki nożnej – fachowo nazywany trójosiową elipsoidą – odzwierciedla obserwacje dwóch skupisk gwiazd w gwiezdnym halo. Pileupy rzekomo powstały, gdy GSE przeszedł przez dwie orbity Drogi Mlecznej. Podczas tych orbit GSE zwolniłby dwukrotnie w tak zwanych apocentrach, czyli najdalszych punktach orbity galaktyki karłowatej większego atraktora grawitacyjnego, masywnej Drogi Mlecznej; te przerwy doprowadziły do dodatkowego zrzucania gwiazd GSE. Tymczasem nachylenie gwiezdnego halo wskazuje, że GSE napotkał Drogę Mleczną pod kątem padania, a nie na wprost.
„Nachylenie i rozmieszczenie gwiazd w gwiezdnym halo stanowi dramatyczne potwierdzenie, że nasza galaktyka zderzyła się z inną, mniejszą galaktyką 7-10 miliardów lat temu” – mówi Conroy.
Warto zauważyć, że od zderzenia GSE z Drogą Mleczną minęło tak dużo czasu, że można było oczekiwać, że gwiezdne gwiazdy w halo dynamicznie przyjmą klasyczny, od dawna zakładany kulisty kształt. Fakt, że prawdopodobnie nie przemawiają do szerszego galaktycznego halo, mówi zespół. Ta zdominowana przez ciemną materię struktura prawdopodobnie sama jest przekrzywiona, a dzięki swojej grawitacji również utrzymuje gwiezdne halo w chaosie.
„Nachylone gwiezdne halo silnie sugeruje, że halo ciemnej materii również jest nachylone” – mówi Conroy. „Nachylenie halo ciemnej materii może mieć znaczące konsekwencje dla naszej zdolności wykrywania cząstek ciemnej materii w laboratoriach na Ziemi”.
Ostatni punkt Conroya nawiązuje do wielu eksperymentów z detektorem ciemnej materii, które są obecnie prowadzone i planowane. Te detektory mogą zwiększyć swoje szanse na uchwycenie nieuchwytnej interakcji z ciemną materią, jeśli astrofizycy będą w stanie określić, gdzie substancja jest bardziej skoncentrowana, mówiąc galaktycznie. Gdy Ziemia porusza się przez Drogę Mleczną, będzie okresowo napotykać te obszary gęstych i poruszających się z większą prędkością cząstek ciemnej materii, zwiększając szanse na wykrycie.
Odkrycie najbardziej prawdopodobnej konfiguracji gwiezdnego halo może posunąć wiele badań astrofizycznych do przodu, jednocześnie uzupełniając podstawowe szczegóły dotyczące naszego miejsca we wszechświecie.
„To intuicyjnie interesujące pytania dotyczące naszej galaktyki: „Jak wygląda galaktyka?” i „Jak wygląda gwiezdne halo?”, mówi Han. „W szczególności dzięki tej linii badań i studiów w końcu odpowiadamy na te pytania”.