Życie na Ziemi nie mogłoby istnieć bez węgla. Ale sam węgiel nie mógłby istnieć bez gwiazd. Prawie wszystkie pierwiastki z wyjątkiem wodoru i helu – w tym węgla, tlenu i żelaza – istnieją tylko dlatego, że zostały wykute w piecach gwiezdnych, a później wyrzucone w kosmos, gdy umarły ich gwiazdy. W ostatecznym akcie galaktycznego recyklingu planety takie jak nasza powstają poprzez włączenie do swojego składu atomów zbudowanych z gwiazd, czy to żelaza w jądrze Ziemi, tlenu w jej atmosferze czy węgla w ciałach Ziemian.
Zespół naukowców z USA i Kanady potwierdził niedawno, że węgiel i inne atomy powstające w gwiazdach nie tylko dryfują bezczynnie w przestrzeni, dopóki nie zostaną zaciągnięte do nowych zastosowań. W przypadku galaktyk takich jak nasza, które wciąż aktywnie tworzą nowe gwiazdy, atomy odbywają okrężną podróż. Okrążają swoją galaktykę pochodzenia na gigantycznych prądach, które rozciągają się w przestrzeń międzygalaktyczną. Prądy te – znane jako ośrodek okołogalaktyczny – przypominają gigantyczne pasy przenośników, które wypychają materię na zewnątrz i wciągają ją z powrotem do wnętrza galaktyki, gdzie grawitacja i inne siły mogą łączyć te surowce w planety, księżyce, asteroidy, komety, a nawet nowe gwiazdy .
„Pomyśl o ośrodku okołogalaktycznym jak o gigantycznej stacji kolejowej: nieustannie wypycha i wciąga materię” – powiedziała członkini zespołu Samantha Garza, doktorantka na Uniwersytecie Waszyngtońskim. „Ciężkie pierwiastki wytwarzane przez gwiazdy są wypychane z galaktyki macierzystej do ośrodka okołogalaktycznego w wyniku wybuchowej śmierci supernowych, gdzie mogą w końcu zostać wciągnięte z powrotem i kontynuować cykl powstawania gwiazd i planet”.
Garza jest głównym autorem artykułu opisującego te odkrycia, który został opublikowany 27 grudnia w Astrophysical Journal Letters.
„Konsekwencje dla ewolucji galaktyk i natury zasobów węgla dostępnego w galaktykach do formowania nowych gwiazd są ekscytujące” – powiedziała współautorka Jessica Werk, profesor UW i kierownik Katedry Astronomii. „Ten sam węgiel w naszych ciałach najprawdopodobniej spędził znaczną ilość czasu poza galaktyką!”
W 2011 roku zespół naukowców po raz pierwszy potwierdził długo utrzymywaną teorię, że galaktyki gwiazdotwórcze takie jak nasza są otoczone ośrodkiem okołogalaktycznym i że ta duża, krążąca chmura materii zawiera gorące gazy wzbogacone w tlen. Garza, Werk i ich współpracownicy odkryli, że w ośrodku okołogalaktycznym galaktyk gwiazdotwórczych krąży również materia o niższej temperaturze, taka jak węgiel.
„Możemy teraz potwierdzić, że ośrodek okołogalaktyczny działa jak gigantyczny zbiornik zarówno węgla, jak i tlenu” – powiedział Garza. „I przynajmniej w galaktykach gwiazdotwórczych sugerujemy, że materia ta następnie opada z powrotem do galaktyki, aby kontynuować proces recyklingu”.
Badanie ośrodka okołogalaktycznego może pomóc naukowcom zrozumieć, w jaki sposób proces recyklingu wygasa, co ostatecznie nastąpi w przypadku wszystkich galaktyk – nawet naszej. Jedna z teorii głosi, że spowolnienie lub załamanie udziału ośrodka okołogalaktycznego w procesie recyklingu może wyjaśniać, dlaczego populacja gwiazd w galaktyce zmniejsza się na przestrzeni długich okresów czasu.
„Jeśli uda się utrzymać cykl – wypychając materię na zewnątrz i wciągając ją z powrotem – to teoretycznie masz wystarczającą ilość paliwa, aby kontynuować powstawanie gwiazd” – powiedział Garza.
W tym badaniu naukowcy wykorzystali spektrograf Cosmic Origins Spectrograph na Kosmicznym Teleskopie Hubble'a. Spektrograf zmierzył, jak na światło dziewięciu odległych kwazarów – ultrajasnych źródeł światła w kosmosie – wpływa środowisko okołogalaktyczne 11 galaktyk gwiazdotwórczych. Odczyty Hubble'a wykazały, że część światła kwazarów była absorbowana przez specyficzny składnik ośrodka okołogalaktycznego: węgiel i to w dużych ilościach. W niektórych przypadkach odkryli węgiel rozciągający się na prawie 400 000 lat świetlnych – czyli czterokrotność średnicy naszej własnej galaktyki – w przestrzeń międzygalaktyczną.
Konieczne są przyszłe badania, aby określić ilościowo pełny zakres innych pierwiastków tworzących ośrodek okołogalaktyczny i dokładniej porównać różnice w ich składzie pomiędzy galaktykami, które wciąż wytwarzają duże ilości gwiazd, a galaktykami, które w dużej mierze zaprzestały powstawania gwiazd. Odpowiedzi te mogą rzucić światło nie tylko na to, kiedy galaktyki takie jak nasza przechodzą w pustynie gwiezdne, ale także na to, dlaczego.
Współautorami artykułu są Trystyn Berg, pracownik naukowy w Centrum Badań Astronomii i Astrofizyki Herzberg w Kolumbii Brytyjskiej; Yakov Faerman, pracownik naukowy z tytułem doktora w dziedzinie astronomii UW; Benjamin Oppenheimer, pracownik naukowy na Uniwersytecie Colorado w Boulder; Rongmon Bordoloi, adiunkt fizyki na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej; oraz Sara Ellison, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Wiktorii. Badania zostały sfinansowane przez NASA i National Science Foundation.