Wszechświat narodził się w potężnej eksplozji, która dała początek pierwszym cząstkom subatomowym i znanym nam prawom fizyki. Około 370 000 lat później powstał wodór, podstawowy budulec gwiazd, które w swoich wnętrzach wytwarzają większość ciężkich pierwiastków. Choć wodór jest wciąż najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w kosmosie, wykrywanie pojedynczych obłoków tego gazu w ośrodku międzygwiezdnym jest trudne.
Trudności w znajdywaniu kosmicznych obłoków złożonych z wodoru bardzo komplikują badania wczesnych faz powstawania gwiazd, które mogą dać nam więcej wskazówek na temat ewolucji galaktyk i kosmosu jako całości. Zespół pod kierownictwem astronomów z Instytutu Maxa Plancka (MPIA) dostrzegł jednak w naszej Galaktyce masywne włókno wodoru atomowego. Struktura ta jest znana jako Maggie. Znajduje się w odległości 55 000 lat świetlnych od Ziemi, przy czym z naszego punktu widzenia leży po drugiej stronie Drogi Mlecznej i jest jedną z najdłuższych pojedynczych struktur, jakie w niej do tej pory zaobserwowano.
Badaniami opisującymi odkrycie kierował Jonas Syed, doktorant z MPIA. Jego zespół bazował na danych zebranych w przeglądzie HI/OH/Recombination line survey of the Milky Way, który wykorzystuje sieć radioteleskopów Very Large Array (VLA) w Nowym Meksyku. W ramach projektu bada się między innymi formowanie się obłoków molekularnych, przejścia wodoru atomowego w wodór cząsteczkowy (molekularny), pola magnetyczne Galaktyki i inne zagadnienia związane z formowaniem się gwiazd oraz ośrodkiem międzygwiazdowym.
Jednym z priorytetów jest ustalenie, w jaki sposób dwa najbardziej powszechne izotopy wodoru łączą się, tworząc gęste obłoki, z których z czasem powstają nowe gwiazdy. Te izotopy to wodór atomowy (H) składający się z jednego protonu i jednego elektronu oraz deuter składający się z protonu, neutronu i elektronu. Jedynie ten drugi łatwo ulega kondensacji w dość zwarte obłoki, z których powstają chłodne regiony będące ostatecznie miejscami narodzin nowych gwiazd. Proces, w którym wodór atomowy przechodzi w wodór cząsteczkowy, jest jednak wciąż w dużej mierze zagadkowy. Właśnie dlatego nowo odkryte galaktyczne włókno wodorowe stanowi szczególnie interesujące znalezisko.
Największe znane dotychczas galaktyczne obłoki gazu molekularnego mają długości dochodzące do około 800 lat świetlnych, ale Maggie mierzy aż 3900 lat świetlnych, a do tego ma szerokość około 130 lat świetlnych. Do tego odkrycia przyczyniła się lokalizacja włókna. Nie wiemy jeszcze dokładnie, jak się tam znalazło. Wiemy jednak, że rozciąga się na jakieś 1600 lat świetlnych poniżej płaszczyzny Drogi Mlecznej. Obserwacje pozwoliły również na określenie prędkości zawartego w nim gazu wodorowego. Dzięki temu mogliśmy wykazać, że prędkości materii gazowej wzdłuż włókna prawie się nie różnią – wyjaśnia Syed.
Badania zespołu wykazały, że materiał włókna ma średnią prędkość 54 km/s. Jej wyznaczenie było możliwe głównie dzięki pomiarom prędkości materii względem rotacji dysku naszej galaktyki, Drogi Mlecznej. Na tej podstawie badacze wywnioskowali, że Maggie jest wewnętrznie spójną strukturą. Ustalenia te potwierdziły obserwacje wykonane rok wcześniej przez Juana D. Solera, astrofizyka z Uniwersytetu Wiedeńskiego i współautora pracy. Nawiasem mówiąc, właśnie temu naukowcowi włókno zawdzięcza swą nazwę. Gdy Soler po raz pierwszy je zaobserwował, postanowił nazwać strukturę na cześć najdłuższej rzeki w swojej rodzinnej Kolumbii, Río Magdalena (po angielsku Margaret, czyli Maggie). Maggie jako duże włókno została zatem rozpoznana już we wcześniejszych analizach danych przeprowadzonych przez Solera, ale dopiero obecne badania udowadniają ponad wszelką wątpliwość, że jest to jedna zwarta struktura.
Na podstawie wcześniej opublikowanych danych zespół oszacował, że Maggie zawiera 8% wodoru cząsteczkowego na ułamek masowy. Zauważono też, że gaz gromadzi się w różnych punktach na całej długości włókna, co doprowadziło naukowców do wniosku, że wodór zbija się w tych miejscach w duże obłoki. Spekulują oni dalej, że gaz atomowy w przyszłości może się w tych miejscach stopniowo kondensować do postaci cząsteczkowej.
Wciąż wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi – podsumowuje Syed. Dodatkowe dane, które, na co liczymy, dostarczą nam więcej wskazówek na temat frakcji gazu molekularnego, wciąż czekają na dalsze analizy. Na szczęście wkrótce zacznie działać kilka kosmicznych i naziemnych obserwatoriów – teleskopów, które będą wyposażone w lepsze instrumenty do badania takich włókien w przyszłości. Należą do nich Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) i przeglądy radiowe takie jak Square Kilometer Array (SKA). Pozwolą nam one zobaczyć bardzo wczesne epoki istnienia Wszechświata (tak zwany kosmiczny świt) i pierwsze gwiazdy powstałe we Wszechświecie.
Czytaj więcej:
- Oryginalna publikacja: J. Syed et al, The "Maggie" filament: Physical properties of a giant atomic cloud, Astronomy & Astrophysics (2021)
- Cały artykuł
- Nowy instrument z Caltech i rozplątywanie kosmicznej sieci
Źródło: Phys.org
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji: (na górze) Przekrój Drogi Mlecznej wyznaczony przez satelitę Gaia (ESA). W ramce zaznaczono położenie włókna Maggie. (na dole) Obraz rozkładu wodoru atomowego zaprezentowany w sztucznych barwach. Czerwona linia ilustruje położenie Maggie. Źródło: ESA/Gaia/DPAC/T. Müller/J. Syed/MPIA
