Pierwsza mapa „galaktycznego podświata” – mapa zwłok niegdyś masywnych słońc, które od tego czasu zapadły się w czarne dziury i gwiazdy neutronowe – ujawniła cmentarzysko rozciągające się trzy razy na wysokość Drogi Mlecznej, a to prawie jedna trzecia obiektów została całkowicie wyrzucona z galaktyki.
„Te zwarte pozostałości martwych gwiazd wykazują fundamentalnie inny rozkład i strukturę niż widzialna galaktyka” – powiedział David Sweeney, doktorant w Instytucie Astronomii w Sydney na Uniwersytecie w Sydney i główny autor artykułu w najnowszym numerze Comiesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
„Wysokość galaktycznego podziemia jest ponad trzy razy większa w samej Drodze Mlecznej” – dodał. „I niesamowite 30 procent obiektów zostało całkowicie wyrzuconych z galaktyki”.
Gwiazdy neutronowe i czarne dziury powstają, gdy masywne gwiazdy – ponad osiem razy większe od naszego Słońca – wyczerpują swoje paliwo i nagle zapadają się. Wywołuje to niekontrolowaną reakcję, która rozrywa zewnętrzne części gwiazdy w gigantycznej eksplozji supernowej, podczas gdy jądro ściska się, aż – w zależności od masy początkowej – staje się albo gwiazdą neutronową, albo czarną dziurą.
W gwiazdach neutronowych jądro jest tak gęste, że elektrony i protony są zmuszone łączyć się na poziomie subatomowym w neutrony, ściskając ich całkowitą masę w sferę mniejszą niż miasto. Jeśli masa pierwotnej gwiazdy jest większa niż 25 razy większa od masy naszego Słońca, to napędzany grawitacją zapadanie się trwa, aż jądro jest tak gęste, że nawet światło nie może uciec. Oba typy gwiezdnych zwłok zakrzywiają przestrzeń, czas i otaczającą je materię.
Chociaż od młodości galaktyki musiały powstać miliardy, te egzotyczne zwłoki zostały wyrzucone w ciemność przestrzeni międzygwiazdowej przez supernową, która je stworzyła, a tym samym wymykały się poza zasięg wzroku i wiedzy astronomów – aż do teraz.
Starannie odtwarzając pełny cykl życia starożytnych martwych gwiazd, naukowcy stworzyli pierwszą szczegółową mapę pokazującą, gdzie leżą ich zwłoki.
„Jednym z problemów związanych z odnalezieniem tych starożytnych obiektów jest to, że do tej pory nie mieliśmy pojęcia, gdzie ich szukać” – powiedział profesor Peter Tuthill z Sydney Institute for Astronomy, współautor artykułu. „Najstarsze gwiazdy neutronowe i czarne dziury powstały, gdy galaktyka była młodsza i inaczej ukształtowana, a następnie poddana złożonym zmianom trwającym miliardy lat. Głównym zadaniem było wymodelowanie tego wszystkiego, aby je znaleźć”.
Nowo powstałe gwiazdy neutronowe i czarne dziury dopasowują się do dzisiejszej galaktyki, więc astronomowie wiedzą, gdzie szukać. Ale najstarsze gwiazdy neutronowe i czarne dziury są jak duchy wciąż nawiedzające dom zburzony dawno temu, więc trudniej je znaleźć.
„To było jak próba odnalezienia cmentarzyska mitycznego słonia” – powiedział profesor Tuthill, odnosząc się do miejsca, w którym według legendy stare słonie umierają samotnie, z dala od swojej grupy. „Kości tych rzadkich masywnych gwiazd musiały tam być, ale wydawały się owiane tajemnicą”.
Sweeney dodał: „Najtrudniejszym problemem, jaki musiałem rozwiązać, szukając ich prawdziwej dystrybucji, było wytłumaczenie ‘kopnięć’, które otrzymują w gwałtownych momentach ich tworzenia. Eksplozje supernowych są asymetryczne, a pozostałości są wyrzucane z dużą prędkością — do milionów kilometrów na godzinę – a co gorsza, dzieje się to w nieznanym i losowym kierunku dla każdego obiektu”.
Ale nic we wszechświecie nie pozostaje w bezruchu na długo, więc nawet wiedza o prawdopodobnych wielkościach wybuchowych kopnięć nie wystarczyła: naukowcy musieli zagłębić się w głębiny kosmicznego czasu i zrekonstruować, jak zachowywali się przez miliardy lat.
“To trochę jak w snooker”, powiedział Sweeney. „Jeśli wiesz, w którą stronę uderza piłka i jak mocno, możesz ustalić, gdzie trafi. Ale w kosmosie obiekty i prędkości są po prostu znacznie większe. Poza tym stół nie jest płaski, więc gwiezdne pozostałości idź na złożone orbity przecinające galaktykę.
„Nareszcie, w przeciwieństwie do stołu bilardowego, nie ma tarcia, więc nigdy nie zwalniają. Prawie wszystkie pozostałości, jakie kiedykolwiek powstały, wciąż tam są, przesuwając się jak duchy przez przestrzeń międzygwiezdną”.
Skomplikowane modele, które zbudowali – wraz z dr Sanjibem Sharma i dr Ryosuke Hirai z Uniwersytetu Monash – zakodowały miejsce narodzin gwiazd, gdzie spotkały swój ognisty koniec i ich ostateczne rozproszenie w miarę ewolucji galaktyki.
Ostatecznym rezultatem jest mapa rozmieszczenia gwiezdnej nekropolii Drogi Mlecznej.
„To był lekki szok” – powiedział dr Sharma. „Pracuję codziennie z obrazami widzialnej galaktyki, którą znamy dzisiaj, i spodziewałem się, że galaktyczny podziemny świat będzie subtelnie inny, ale podobny w szerokich pociągnięciach. Nie spodziewałem się tak radykalnej zmiany formy”.
Na wygenerowanych mapach charakterystyczne spiralne ramiona Drogi Mlecznej znikają w wersji „galaktycznego podziemia”. Są one całkowicie wypłukane z powodu wieku większości szczątków i rozmycia efektów energetycznych uderzeń supernowych, które je stworzyły.
Jeszcze bardziej intrygujący jest widok z boku, który pokazuje, że galaktyczny podziemny świat jest znacznie bardziej „nadmuchany” niż Droga Mleczna – w wyniku energii kinetycznej wstrzykniętej przez supernowe, która unosi je w halo wokół widocznej Drogi Mlecznej.
„Być może najbardziej zaskakującym odkryciem z naszych badań jest to, że kopnięcia są tak silne, że Droga Mleczna całkowicie utraci niektóre z tych pozostałości” – powiedział dr Hirai. „Są kopane tak mocno, że około 30 procent gwiazd neutronowych jest wyrzucanych w przestrzeń międzygalaktyczną, aby nigdy nie powrócić”.
Dodał Tuthill: „Dla mnie jedną z najfajniejszych rzeczy, jakie znaleźliśmy w tej pracy, jest to, że nawet lokalne gwiezdne sąsiedztwo wokół naszego Słońca prawdopodobnie przejdą ci upiorni goście. Statystycznie nasza najbliższa pozostałość powinna znajdować się zaledwie 65 lat świetlnych od nas: więcej lub mniej na naszym podwórku, w kategoriach galaktycznych”.
„Najbardziej ekscytująca część tych badań jest wciąż przed nami” – powiedział Sweeney. „Teraz, kiedy już wiemy, gdzie szukać, opracowujemy technologie, aby na nie polować. Założę się, że„ galaktyczny podziemie ” nie pozostanie zbyt długo owiany tajemnicą”.