Czy nasza Galaktyka jest wyjątkowa? Jeśli tak, to te badania pomagają astronomom lepiej zrozumieć jej przeszłość, a być może i naturę ciemnej materii.
Droga Mleczna jest naszym domem. Jeszcze sto lat temu nie wiedziano, że inne galaktyki w ogóle istnieją. Dziś, po dziesięcioleciach badań naszej Galaktyki prowadzonych "stąd", czyli z naszej lokalizacji w jednym z jej ramion spiralnych, znamy ją lepiej niż jakąkolwiek inną galaktykę. Wciąż jednak nie wiemy, na ile zwyczajna – lub niezwykła – ona jest, i w jakim stopniu jej historia pokrywa się z historiami innych obserwowanych galaktyk we Wszechświecie. Jest to istotne z naukowego punktu widzenia, bo od lat naukowcy wykorzystują właśnie Drogę Mleczną jako punkt odniesienia do zrozumienia, w jaki sposób powstają i ewoluują te inne galaktyki.
Dziesięć lat temu Marla Geha z Uniwersytetu Yale i Risa Wechsler z Uniwersytetu Stanforda zajęły się oceną wyjątkowości Drogi Mlecznej. Ich metodyka polegała na obserwacji nie tylko samych galaktyk, ale i okrążających je karłowatych galaktyk satelitarnych (takich jak Obłoki Magellana, czyli satelity naszej Galaktyki). Galaktyki karłowate są znacznie mniejsze i silniej podlegają wpływom kosmicznego otoczenia, dzięki czemu mogą pełnić rolę sond: przykładowo, mogą informować astronomów o obecności niewidzialnych otoczek halo ciemnej materii otaczających ich galaktyki macierzyste.
Geha i Wechsler nazwały swój projekt przeglądem SAGA (Satellites Around Galactic Analogs). W praktyce opierał się na starannym charakteryzowaniu i katalogowania galaktyk karłowatych w odległym Wszechświecie. Szczególną uwagę poświęcono tym, które jako galaktyki-satelity okrążają "zwykłe" galaktyki uznawane za podobne do Drogi Mlecznej. Warto dodać, że niewielkie jasności tych małych galaktyk znacznie utrudniały zadanie – identyfikacja i odróżnienie galaktyk satelitarnych od tzw. galaktyk tła były żmudnym i naprawdę długim procesem. Do roku 2017 udało się w ten sposób zbadać tylko osiem galaktyk podobnych do naszej.
Ogółem udało się ostatecznie zidentyfikować 101 analogów Drogi Mlecznej oraz 378 ich galaktyk satelitarnych. Wyniki badań zespołu sugerują, że choć nasza Galaktyka nie jest najprawdopodobniej żadnym kosmicznym ewenementem, to już jej galaktyki satelitarne wykazują wyraźnie odmienne cechy od innych – co sprawia, że Droga Mleczna stanowi jednak pewnego rodzaju odstępstwo od innych galaktyk dyskowych.
Większość naszej wiedzy o galaktykach satelitarnych pochodzi z badań takich galaktyk krążących wokół Drogi Mlecznej. Najbardziej znanymi ich przykładami są Wielki i Mały Obłok Magellana, które znajdują się w odległości około 160 000 i 200 000 lat świetlnych od nas. Obie zawierają liczne obszary, w których intensywnie powstają nowe gwiazdy, takie jak Mgławica Tarantula. Obłoki Magellana są najbardziej znanymi galaktykami karłowatymi, bo widać je dobrze na niebie ponad półkulą południową. Jednak Droga Mleczna ma też ponad 50 mniejszych galaktyk karłowatych, które nie tworzą już nowych gwiazd. Co więcej, gdy naukowcy próbują odtworzyć układy galaktyczne podobne do Drogi Mlecznej w symulacjach komputerowych, ich modele mają spore trudności z odwzorowaniem tego dużego roju galaktyk karłowatych krążących wokół naszej Galaktyki. Między innymi to skłania do zastanowienia się, czy Droga Mleczna faktycznie dobrze odzwierciedla szerszą populację galaktyk, wraz z otaczającymi je, mniej masywnymi galaktykami satelitarnymi.
Tym, co sprawiło, że identyfikacja słabych galaktyk satelitarnych w nieco dalszych zakątkach kosmosu znacznie w ostatnich latach przyśpieszyła, był postęp technologiczny. Jeszcze w 2015 roku przeprowadzenie symulacji dla 45 analogów Drogi Mlecznej zajmowało około roku, a w 2025 roku to samo zadanie zajmuje tylko tydzień. Wynika to z rosnącej mocy obliczeniowej superkomputerów. Bardzo ważny wynik prac duetu Geha & Wechsler ukazał się w 2017 roku, gdy zespół zaczął dostrzegać, że układ galaktyk satelitarnych Drogi Mlecznej nie jest typowy dla szerszej próbki innych galaktyk: jeśli tylko pominiemy Obłoki Magellana, wszystkie inne karłowate galaktyki satelitarne Drogi Mlecznej przestały tworzyć gwiazdy już około miliard lat temu. Tymczasem spośród 27 karłowatych galaktyk zidentyfikowanych w przeglądzie SAGA wokół innych dużych galaktyk wszystkie z wyjątkiem jednej nadal aktywnie tworzą gwiazdy.
Do 2021 roku liczba galaktyk macierzystych w katalogu SAGA wzrosła do 36, a powyższa tendencja nadal się utrzymywała. W 2024 roku zespół opublikował najnowsze wyniki w czasopiśmie The Astrophysical Journal, i tym razem zawierały one analizy dla ponad 100 takich galaktyk. Dowodzą one, że wygasające, nie produkujące nowych gwiazd galaktyki satelitarne Drogi Mlecznej są we Wszechświecie nietypowe i silnie kontrastują z "satelitami" innych galaktyk, pod innymi względami podobnych do naszej. Zebrana próbka jest już wystarczająco duża, aby astronomowie mogli analizować pewne trendy statystyczne, na przykład zbadać, czy i jak bardziej masywne z zaobserwowanych galaktyk satelitarnych wykazują większe prawdopodobieństwo tworzenia nowych gwiazd.
Rosnący zbiór danych obejmujący galaktyki satelitarne jest również cenny ze względu na możliwość precyzyjnego dopracowania współczesnych symulacji komputerowych – w sposób, jaki nie byłby możliwy przy użyciu wyłącznie obserwacji Drogi Mlecznej i jej galaktycznego otoczenia.
Jak jednak wytłumaczyć nietypowe cechy "satelitów" Drogi Mlecznej? Według zespołu prawdopodobne wyjaśnienie to ich pochodzenie. Podczas gdy większość wygasłych galaktyk satelitarnych jest znacznie starsza, produkujące nowe gwiazdy Obłoki Magellana mogą być całkiem nowymi przybyszami w otoczeniu Drogi Mlecznej. Na podstawie pomiarów ich orbit astronomowie przypuszczają zresztą, że galaktyki te całkiem niedawno w skali kosmicznej, bo w ciągu ostatniego miliarda lat, wpadły w halo naszej Galaktyki, czyli ogromną otoczkę z ciemnej materii rozciągającą się wokół niej. Nie miały zatem dość czasu na zatrzymanie procesów formowania się gwiazd. Z kolei obecnie, gdy Obłoki Magellana są już pod silnym wpływem Drogi Mlecznej, ona sama jako znacznie większa galaktyka osłabia możliwości tych stosunkowo nowych galaktyk satelitarnych w zakresie tworzenia gwiazd. Wynika to z faktu, że obecny w nich początkowo gaz – surowiec niezbędny do budowy nowych gwiazd – jest stopniowo usuwany przez ogromną grawitację naszej Galaktyki.
Możliwe też, że Droga Mleczna jest wyjątkowa właśnie pod tym względem, a większość swoich "satelitów" przechwyciła nieco wcześniej w swojej historii niż podobne do niej galaktyki. Tak wczesne ich przyłączenie dało jej wtedy więcej czasu na wygaszenie większości "satelitów" przez pozbawienie ich gazu tworzącego gwiazdy. Ten siłą wyciągnięty z nich gaz ostatecznie stał się częścią halo Drogi Mlecznej, zasilając ją i pomagając jej we wzroście. Kolejnym unikalnym czynnikiem wpływającym na ewolucję Drogi Mlecznej i jej satelitów może być obecność ich bliskiego sąsiada, czyli Galaktyki Andromedy (M31). Te dwie duże galaktyki mogą wpływać nawzajem na swoje układy galaktyk satelitarnych.
Uzyskane wyniki mogą też pomóc w zrozumieniu natury ciemnej materii. Kosmologowie, mając teraz zmierzone rozmieszczenie galaktyk satelitarnych w analogach Drogi Mlecznej leżących w różnych odległościach od nas, będą prawdopodobnie w stanie sprawdzać, czy istnieje model ciemnej materii wyjaśniający istnienie wszystkich tych galaktyk satelitarnych, obecnych zarówno we wczesnym, jak i współczesnym, czyli tak zwanym bliskim Wszechświecie.
Wszystko to było możliwe dzięki niezwykłości projektu SAGA, w ramach którego zespół korzystał dodatkowo ze stosunkowo skromnych instrumentów obserwacyjnych, takich jak Teleskop MMT (Multiple Mirror Telescope) w Arizonie i Teleskop Angielsko-Australijski o średnicy 3,9 metra w Nowej Południowej Walii. W przypadku tego drugiego zaangażowano do badań stary spektrograf, który pracuje przy teleskopie od ponad dwóch dziesięcioleci. Innowacyjność polegała nie na nowoczesnym sprzęcie, a umiejętnym zadawaniu innych pytań niż te, które stawiano w przeszłości.
Na ilustracji: Na mozaice przedstawiono 378 galaktyk satelitarnych skatalogowanych w ramach przeglądu galaktyk SAGA w ciągu ostatniej dekady. Łącznie należą one do 101 galaktyk podobnych do Drogi Mlecznej. Źródło: Yao-Yuan Mao/University of Utah/DESI Legacy Survey Sky Viewer.
Czytaj więcej:
Źródło: Astronomy.com
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji:
Droga Mleczna i jej dwie największe galaktyki satelitarne — Wielki i Mały Obłok Magellana — leżące nad horyzontem po lewej stronie na zdjęciu wykonanym w Tivoli (Namibia). Źródło: Patrick Winkler.
