Dzięki danym z misji Gaia naukowcy udowodnili, że fragment Drogi Mlecznej znany jako tzw. gruby dysk zaczął się formować 13 miliardów lat temu – 2 miliardy lat wcześniej niż zakładano poprzednio, zaledwie 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Ten zadziwiający wynik to rezultat analizy dwóch naukowców z Instytutu Maxa-Plancka w Niemczech. Badacze wykorzystali dane 250 000 gwiazd: o jasności i ich pozycji ze zbioru misji Gaia oraz  ich składach chemicznych od chińskiego spektroskopu LAMOST. Dzięki temu byli w stanie poznać ich wiek i, na jego podstawie, określić wiek całego „dysku grubego”.

Wśród danych poszukiwano podolbrzymów. W takich gwiazdach kończy się zapas wodoru, w wyniku czego wokół jądra formuje się skorupa, a sama gwiazda zmienia się w czerwonego olbrzyma. Gwiazdy są podolbrzymami przez stosunkowo krótki okres czasu, co pozwala na dokładne oszacowanie ich wieku.

Badanie wieku gwiazd

Wiek gwiazdy jest bardzo trudny do oszacowania. Kiedy wszechświat powstał, znajdowały się w nim tylko wodór i hel. Wszystko, co jest bardziej od nich złożone, powstało w gwiazdach i jest nazywane przez astronomów metalami. Kiedy dochodzi do wybuchu gwiazdy, te pierwiastki są wyrzucane w kosmos, a następnie powstają z nich kolejne gwiazdy. Przez to zjawisko starsze gwiazdy mają mniejszą metaliczność niż nowsze. Dlatego wiek gwiazdy mierzy się za pomocą porównania z danymi komputerowych symulacji  ewolucji gwiazd.

Dane z teleskopu LAMOST dotyczą właśnie metaliczności. Łącząc je z informacjami o jasności gwiazdy, naukowcy mogą odczytać z komputerowych modeli jej wiek. Wcześniej, niepewności pomiarowe jasności gwiazd wynosiły 20%-40%, co sprawiało, że oszacowany wiek gwiazdy mógł odbiegać od prawdy nawet o miliard lat. Teraz, nowe dane zebrane przez sondę Gaia zmniejszyły te niepewności do kilku procent.

Anatomia Drogi Mlecznej

Widok Drogi Mlecznej od boku. Na zdjęciu wyróżnione są dysk gruby (thick disc) i dysk chudy (thin disc), poprzeczka i zgrubienie galaktyczne (bulge & bar), pasy pyłu (dust lanes), płaszczyzna galaktyki (galactic plane) oraz halo.

Nasza galaktyka składa się z wielu różnych elementów, które można podzielić na dwie kategorie – halo galaktyczne i dysk galaktyczny. To pierwsze jest sferycznym obszarem wokół dysku i było uważane za najstarszy element galaktyki. Dysk składa się z części chudej, zawierającej większość gwiazd, które są widoczne z Ziemi, oraz grubej, o mniejszym promieniu i znacznie większej grubości, zawierającej tylko kilka procent wszystkich gwiazd Drogi Mlecznej.

Dzięki zidentyfikowaniu wieku i składu podolbrzymów w tym regionie naukowcy stworzyli model ewolucji Drogi Mlecznej, który okazał się bardzo zaskakujący.

Dwie fazy rozwoju Drogi Mlecznej

Wiek gwiazd w naszej galaktyce jasno wskazuje, że jej rozwój można podzielić na dwie fazy. Na początku, zaledwie 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu, w dysku grubym rozpoczął się proces formacji gwiazd. Naukowcy przewidują, że wewnętrzna część halo zaczęła się do siebie zbliżać. Proces ten znacząco przyspieszył około dwóch miliardy lat później, kiedy galaktyka karłowata znana jako galaktyka Kiełbasa połączyła się z Drogą Mleczną. To zdarzenie znacznie zwiększyło ilość gwiazd w halo i, według najnowszych danych, spowodowało powstanie większości gwiazd w dysku grubym. Dysk cienki, w którym znajduje się Słońce, powstał w drugiej fazie formacji.

Artystyczne przedstawienie kolizji Drogi Mlecznej i galaktyki Kiełbasa.

Analiza najnowszych danych pokazała także, że po nagłym powstaniu dużej ilości gwiazd przy łączeniu galaktyk procesy formacji gwiazd trwały nadal. Zakończyły się dopiero 6 miliardów lat po Wielkim Wybuchu, kiedy zużyty został cały dostępny gaz. Podczas tego okresu metaliczność dysku grubego wzrosła ponad 10-krotnie. Dane pokazują także, że stosunek wieku wszystkich gwiazd w tym regionie do metaliczności jest bardzo zbliżony, co oznacza, że gaz w dysku grubym miał wszędzie podobne stężenie metali. Z tego wynika, że we wczesnych stadiach rozwoju dysku gaz był bardzo burzliwy i rozprowadził metale bardzo równomiernie.

Gaia umożliwia zbadanie chronologii zdarzeń

Najnowsze dane o wcześniejszym dysku grubego przedstawiają znacznie odmienny od poprzedniego model ewolucji Drogi Mlecznej. Kiedy dowiedziano się o połączeniu naszej galaktyki i galaktyki Kiełbasy, astronomowie podejrzewali, że Droga Mleczna powstała, zanim uformowało się jej halo. Dopiero teraz, 4 lata później, odkryte zostały detale odnośnie formacji dysku grubego i halo. Po połączeniu informacji z tych dwóch badań możliwe było zrewolucjonizowanie modeli rozwoju Drogi Mlecznej.

Aktualnie nie mamy jeszcze możliwości zaobserwowania, jak takie dyski powstają w innych galaktykach. Sytuacja może się jednak zmienić dzięki Teleskopowi Jamesa Webba, który ma instrumenty optyczne, które są w stanie zaobserwować galaktyki w trakcie powstawania. Dodatkowo 13 czerwca Gaia udostępni 3 pakiet danych o spektrach, wieku i metaliczności gwiazd, co ułatwi dalsze badania.

Z każdym nowym pakietem danych misji Gaia, możliwe jest odkrycie chronologii powstawania Drogi Mlecznej z coraz większą ilością szczegółów. Dzięki nowym informacjom, które naukowcy dostaną w czerwcu, możliwe będzie jeszcze dokładniejsze opisanie historii naszej galaktyki.

Autor

Małgorzata Jędruszek