Jak badano strukturę Drogi Mlecznej

Przez tysiąclecia ludzie zastanawiali się nad mlecznym szlakiem przecinającym nocne niebo. W epoce nowożytnej Galileusz odkrył, że owa Droga Mleczna składa się z niezliczonej ilości gwiazd. Jednak dopiero w XX wieku astronomom udało się odgadnąć jej formę oraz prawdziwą naturę.

„Moja trzecia obserwacja dotyczy natury Drogi Mlecznej [...] Bez względu na to, w którą jej część skieruję teleskop, znajduję nieskończoną ilość gwiazd, z których kilka jest bardzo dużych i bardzo zastanawiających, jednak liczba małych gwiazd jest niezgłębiona.” Te słowa zostały napisane w 1610 roku przez człowieka, który za pomocą skonstruowanego przez siebie teleskopu badał krainy nie z tego świata – Galileo Galilei.

Kraina, którą opisał jest dosłownie nie z tego świata, a dokument nosi tytuł Sidereus Nuncius (Gwiezdny posłaniec). W nim włoski matematyk i astronom przedstawia swoje obserwacje satelitów Jowisza, ziemskiego Księżyca a także Drogi Mlecznej. Do tego czasu ich natura pozostawała tajemnicą, głównie była przedmiotem mitologii. Grecki filozof przyrody, Demokryt, twierdził już w V w p.n.e., że rozproszony, jarzący się pas na niebie składa się z niezliczonych słabych gwiazd.

Jednak minie prawie 150 lat od odkrycia Galileusza, zanim niebiańska struktura ponownie stanie się przedmiotem badań naukowych. Thomas Wright uważał, że gwiazdy ułożone są na płaskim obszarze podobnym do kamienia szlifierskiego, który rozciąga się na całym niebie. Dla niego Droga Mleczna była jedynie projekcją tego kamienia. Niemiecki filozof Immanuel Kant wykorzystał tę teorię – i bardzo zbliżył się do odkrycia prawdy.

W swojej Powszechnej historii naturalnej i teorii nieba, opublikowanej w 1755 r. objaśnił Drogę Mleczną jako rozległą i bardzo rozcieńczoną warstwę gwiazd. Słońce, Ziemia i wszystkie inne planety były częścią tej warstwy – jednak nie w jej centrum. W zależności od linii widzenia zobaczylibyśmy różną liczbę gwiazd.

W jaki sposób astronomowie dowiedzieli się, czy pozorny widok Drogi Mlecznej na niebie odzwierciedla rzeczywistą strukturę przestrzenną? Statystyki gwiazdowe opracowane pod koniec XVIII wieku przez Friedricha Wilhelma Herschela zapewniały rozwiązanie: Herschel zarejestrował współrzędne i jasności wszystkich gwiazd, które widział przez swój teleskop.  

Jednak przedsięwzięcie się nie powiodło: pomijając nierealność tych pomiarów – np. mimo, że możliwe było określenie pozornej jasności gwiazd, niemożliwym było określenie ich jasności absolutnej, a tym samym odległości – istniał również zasadniczy problem: Droga Mleczna wypełniona jest materią międzygwiazdową, chmurami gazu i pyłu, który pochłaniają światło gwiazd. Przysłania to widok regionu centralnego i uniemożliwia dostrzeżenie struktury nadrzędnej. Z tego powodu statystyki gwiazdowe nigdy nie mogą objąć układu jako całości a zaledwie region wokół Słońca o promieniu około 10 000 lat świetlnych. Przełom nastąpił dopiero w połowie XX wieku, gdy astronomowie nauczyli się patrzeć na niebo za pomocą radioteleskopów.

Wodór jest najbardziej powszechnym pierwiastkiem we Wszechświecie. Jako część materii międzygwiazdowej neutralny wodór (HI) wypełnia przestrzeń między gwiazdami, a tym samym Drogę Mleczną. Oznacza to, że rozkład chmur wodoru wyznacza kształt całego układu, podobnie, jak kości kształtują ludzkie ciało.

W jaki sposób te kosmiczne „kości” mogą być widoczne? Odpowiedzi dostarcza nanowszechświat: w ziemskim stanie wodoru spin jądra atomowego i elektronu wokół niego są przeciwrównoległe. Jeżeli zderzają się dwa atomy wodoru, spin jądra i elektronu może zostać odwrócony, by po pewnym czasie wrócić do swojego podstawowego stanu przeciwrównoległego.

Proces ten uwalnia energię, która jest emitowana jako fala elektromagnetyczna. Linia tej fali leży w zasięgu fal radiowych. Pomimo niezwykle niskiej gęstości materii międzygwiezdnej, atomy nieustannie zderzają się ze sobą, co powoduje, że obszary HI świecą w linii wodoru.

Promieniowanie to przenika przez zasłony pyłu prawie bez przeszkód i może być rejestrowane za pomocą radioteleskopów. Dzięki temu nowemu spojrzeniu na Wszechświat astronomowie byli w stanie odkryć spiralną strukturę Drogi Mlecznej. Jednak w latach ‘70. naukowcy odkryli, że sam wodór nie wystarczy jako wskaźnik morfologii Galaktyki, gdyż np. jest mniej skoncentrowany w ramionach spiralnych, niż oczekiwano. Poszukiwania zatem rozpoczęły się na nowo.

Najważniejszym wskaźnikiem okazały się obłoki molekuł międzygwiazdowych: emitują promieniowanie w linii tlenku węgla (CO2). Teraz stopniowo udoskonalano portret Drogi Mlecznej. W związku z tym Galaktyka (gr. gala czyli mleko) jest spłaszczonym kołem o średnicy 100 000 lat świetlnych i grubości zaledwie 5 000 lat świetlnych. Centrum koła z czarną dziurą jest otoczone sferycznym zgrubieniem gwiazd osadzonym w strukturze o kształcie cygara – poprzeczki.

Około 15 000 l.ś. od centrum rozciąga się pierścień również złożony z pyłowych i gazowych obłoków oraz gwiazd. Galaktyka cechuje się kilkoma ramionami. Większość z nich ma imiona gwiazdozbiorów, w których je obserwujemy: Strzelca, Perseusza, Krzyża, Trzech Kiloprseków, Oriona i Łabędzia.

Układ Słoneczny znajduje się w Ramieniu Oriona, w odległości 26 000 l.ś. od centrum i prawie w płaszczyźnie głównej. Układ, który zawiera blisko 200 mld słońc, otoczony jest sferycznym halo zawierającym tysiące gromad kulistych oraz region sferyczny składający się z bardzo cienkiej plazmy wodoru. Cała Galaktyka rotuje, obiekty bliżej środka obracają się szybciej a te z dala od niego – wolniej. Krzywa tej zróżnicowanej rotacji wykazuje nieprawidłowości, których nie można wyjaśnić jedynie za pomocą widzialnej masy.

Prawdopodobnym jest, że niewidzialna ciemna materia odgrywa tutaj ważną rolę. Astronomowie napotykają jeszcze jeden problem: pomimo rotacji, ramiona spiralne nie rozwijają się, ale utrzymują swój kształt przez miliardy lat. Jednym z wyjaśnień tego zjawiska są fale uderzeniowe, które rozprzestrzeniają się w całym układzie i zagęszczają materię w ramionach spiralnych. Astronomowie wciąż zastanawiają się, co powoduje te fale gęstości. 

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
The backbone of the night

Źródło: Instytut Maxa Plancka

Na zdjęciu: Ogniste koło: Układ Drogi Mlecznej, zwany Galaktyką, przypomina gigantyczną spiralę zawierającą około 200 mld gwiazd. Jedną z nich jest nasze Słońce. Źródło: Robert Hurt/SSC/Caltech/JPL/NASA Robert Hurt