Oto najlepsza chronologia Drogi Mlecznej. Jej wiek może zaskoczyć

Poznanie dokładnej chronologii Drogi Mlecznej to jeden z problemów, który od zawsze budził zainteresowanie astronomów, podobnie jak ewolucja wszystkich galaktyk. Wyniki najnowszych badań są mocnym zaskoczeniem i nie chodzi tu tylko o sam wiek Galaktyki. Czytajcie dalej a dowiecie się:

• dlaczego tak trudno określić wiek Drogi Mlecznej, a także pojedynczych gwiazd,
• jakich narzędzi używają astronomowie do oceny wieku,
• dlaczego pomiary odległości są tak ważne przy ocenie wieku,
• jak stworzono najdokładniejszą kosmiczną bazę PESEL,
• co wiek gwiazd powiedział nam o ewolucji Drogi Mlecznej i dlaczego to zaskoczenie.

Wiek Drogi Mlecznej wcale nie jest taki oczywisty

W przypadku nauki najwięcej problemów laikom sprawia nie posługiwanie się faktami i powszechnie znanymi liczbami, ale uzasadnienie tychże w logiczny i poprawny sposób. Nasze Słońce ma 4,5 miliarda lat, ale ten wiek, który określamy przede wszystkim na podstawie analiz najstarszych znalezionych meteorytów, nie oznacza bynajmniej, że Droga Mleczna jest podobnie stara.

W rzeczywistości Słońce to gwiazda, która powstała w późniejszym okresie istnienia Galaktyki, z materii, którą już wcześniej „przetrawiły” masywne i już nieistniejące gwiazdy. Droga Mleczna jest starsza niż Słońce. Pytanie o ile starsza i w jaki sposób astronomowie są w stanie to dokładnie określić. Ocenić to możemy określając właśnie wiek odległych gwiazd.

Słońce i jego pozycja w Galaktyce. Centrum Drogi Mlecznej leży około 26 tysięcy lat świetlnych od nas

Dlaczego wiek przeciętnej gwiazdy trudno ocenić? I jak sobie z tym radzimy?

Większość pojedynczych gwiazd to obiekty, które są na standardowym etapie ewolucji. Ten etap to często ponad 90% ich życia, czas w którym własności gwiazd nie zmieniają się znacząco. Mówiąc inaczej, gwiazda młoda może wyglądać dla astronomów podobnie jak gwiazda już bliska swojej emerytury.

Z tym problemem radzimy sobie obserwując nie pojedyncze gwiazdy, a ich gromady. To grupy obiektów, które powstały w tym samym czasie. Wtedy statystyczna analiza wielu gwiazd, wśród których można wyróżnić te zaawansowane ewolucyjnie i o konkretnym wieku, daje lepsze szacunki dla reszty gwiazd. 

Jakimi narzędziami posługują się astronomowie mierząc wiek gwiazd?

Metoda podobna jak w przypadku Słońca nie wchodzi w rachubę, bo nie jesteśmy w stanie badać materii z odległych układów gwiezdnych. Być może to was zaskoczy, ale jedynie dla Słońca jesteśmy w stanie z dużą dozą pewności określić wiek.

To co mówimy na temat innych gwiazd to wiedza, którą pozyskano z ich obserwacji za pomocą teleskopów łącząc te dane z modelami teoretycznymi opisującymi ewolucję gwiazd o danym składzie chemicznym i danej masie. Z takich modeli jesteśmy w stanie wywnioskować także ile nasze Słońce będzie jeszcze istnieć.

I tak, możemy określić temperaturę gwiazdy (ma ona związek z jej kolorem) i jej jasność, a potem umiejscowić ją na tak zwanym diagramie H-R (Hertzsprunga-Russella). Każda gwiazda na takim diagramie przebywa ścieżkę ewolucyjną, dlatego jej pozycja pozwala oszacować na jakim etapie życia właśnie jest. W przypadku zwykłych gwiazd to wciąż mało precyzyjny szacunek. Dopiero dla gwiazd starych błąd oceny wieku staje się niewielki, gdyż późne etapy ewolucji trwają bardzo krótko w kosmicznej skali czasu.

Ogólny diagram H-R, na którym zaznaczono pozycję Słońca. Main sequence, czyli ciąg główny, to pozycje gwiazd na podstawowym etapie ewolucji

Astronomowie sięgają też po obserwacje tempa rotacji gwiazd, obserwacje drobnych zmian w jasności gwiazd, które są wskaźnikiem tego co dzieje się w ich wnętrzu, a zarazem mają związek z wiekiem. Wciąż jednak pojawiają się wątpliwości co do poprawności tych jak i innych jeszcze metod, gdy pojawiają się obserwacje obiektów wymykających się powszechnie zaakceptowanym modelom. Takie niespodzianki sprawia nawet nasze Słońce.

Pomocne mogą tu być też obserwacje pozasłonecznych układów planetarnych. Nie chodzi w nich bowiem tylko o poszukiwanie drugiej Ziemi czy samo zwiększenie statystyki planetarnej. Lecz także o wywnioskowanie z tych obserwacji nowych faktów na temat tego jak aktualnie obserwowane własności gwiazd należy wiązać z ich wiekiem. W przypadku Galaktyki odległości są na tyle nieduże, że opóźnienie związane ze skończoną prędkością światła nie ma znaczenia.

Odległości do gwiazd. To ich poprawne określenie jest tu kluczowe

Teoretyczne modele, które mówią jak powinna zachowywać się i wyglądać gwiazda na różnych etapach ewolucji, są coraz doskonalsze. Szybkie komputery i pojemne pamięci ułatwiają rozwiązywanie różnych związanych z ewolucją zagadek, uwzględnianie coraz większej liczby parametrów, co jest bardzo ważne, gdy chcemy doprecyzować konkretny model ewolucyjny gwiazdy o danej masie i składzie.

Jak jednak dokładne by nie były te modele, ich poprawne zastosowanie w stosunku do danych gwiazd (grup gwiazd) wymaga dobrej wiedzy na temat ich odległości. Owszem astronomowie rejestrują widma gwiazd, ich jasności w różnych długościach promieniowania elektromagnetycznego, ale są to wartości obserwowane. Inaczej rzecz ujmując, zależne od odległości. Nie będziemy w stanie ocenić mocy żarówki jedynie mierząc jej jasność w wybranym miejscu. Trzeba wiedzieć jak daleko żarówka się znajduje od miejsca pomiarowego. W tym przypadku żarówką jest gwiazda.

Astronomom potrzebny jest bezwzględny wskaźnik, określający jasność gwiazdy, a ten uwzględnia zarówno jasność obserwowaną jak i odległość. Jeśli odległość będzie określona błędnie to i rzeczywista jasność gwiazdy zostanie źle oceniona. A to oznacza, że powiążemy ją błędnie z istniejącymi modelami i uzyskamy niewłaściwą ocenę wieku. To w efekcie przełoży się na błąd w ocenie wieku naszej galaktyki. Oczywiście przy założeniu, że gwiazdy zaczęły powstawać w podobnym czasie co Droga Mleczna.

Takie błędy mogą mieć znaczenie także w większej skali, przy obserwacjach międzygalaktycznych, ale to także jeszcze inny temat niż wiek Galaktyki.

Źródło najlepszych danych o odległościach do gwiazd dziś to…

…obserwacje zebrane przez kosmiczny teleskop Gaia. Od 2014 roku wykonuje on dokładne pomiary astrometryczne, czyli określa pozycje gwiazd na niebie. Gwiazdy dla których można z tych danych wywnioskować paralaksę (pozycja gwiazdy na tle innych jeszcze odleglejszych zależy od miejsca, z której ją obserwujemy, a Gaia w ciągu roku zmienia swoją pozycję), mogą mieć także dokładnie określoną odległość. A to jak już wiemy kluczowa dana pozwalająca precyzyjnie określić jasność gwiazd, która jest potrzebna do poprawnej oceny ich wieku.

Mapa nieba z pozycjami obiektów, dla których teleskop Gaia wykonał obserwacje

Obecnie dysponujemy 3 zestawem danych obserwacyjnych Gaia we wczesnej wersji. Już teraz zawiera on dane dla 1,8 miliarda obiektów, a w tym dokładne pozycje dla prawie 1,5 miliarda. Większość z nich to właśnie gwiazdy.

Ocena wieku 250 tysięcy gwiazd podolbrzymów leży u podstaw oceny wieku Drogi Mlecznej

Dane z teleskopu Gaia w połączeniu z precyzyjnymi obserwacjami składu chemicznego i modelami ewolucyjnymi pozwoliły na najprecyzyjniejszą dotychczas ocenę wieku około 250 tysięcy gwiazd.

Obserwacje spektroskopowe, które dostarczyły wiedzy o budowie gwiazd (w tym zawartości metali cięższych niż Hel), zebrane zostały przez teleskop LAMOST (China’s Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope). To teleskop optyczny z segmentowym zwierciadłem o wymiarach 5,7 x 4,4 metra. Choć instrument znajduje się w Chinach, to w realizowane z jego pomocą projekty obserwacyjne zaangażowani są także astronomowie z innych krajów.

Gwiazdy dla których oceniano wiek nie są też pierwszymi lepszymi gwiazdami. To tak zwane podolbrzymy, czyli gwiazdy, które właśnie zakończyły swój główny i najdłuższy etap egzystencji. Wkroczyły na stosunkowo krótki etap, gdy gwiazda przeistacza się w czerwonego olbrzyma. Tak będzie w przyszłości ze Słońcem.

Dla takich gwiazd powiązanie obserwacji składu chemicznego i dokładnej jasności (uwzględniającej odległość), z modelami teoretycznymi daje stosunkowo niewielki błąd w ocenie wieku. To wciąż kilka procent, ale i tak jest to dużo mniej niż kiedyś, gdy dane z teleskopu Gaia nie były dostępne.

Chronologia powstawania Galaktyki z wieku poszczególnych gwiazd. Jak to możliwe?

Ćwierć miliona gwiazd, dla których dość dokładnie określono wiek, nie znajduje się w jednym rejonie Drogi Mlecznej. Część z nich należy do tak zwanego halo, czyli sferycznej otoczki, która obejmuje dysk i centralną część naszej Galaktyki.

Obecny model budowy Galaktyki. Pokazany jest widok z boku, czyli w płaszczyźnie dysku galaktycznego. Bulge to zgrubienie w centrum galaktyki. Dysk gruby ma około 6 tysięcy lat świetlnych grubości, a dysk cienki około 2 tysięcy lat świetlnych (im dalej od centrum tym jest on cieńszy)

Reszta znajduje się albo w tak zwanym cienkim dysku galaktycznym, czyli tej najdalej rozciągającej się od centrum dyskowej strukturze galaktyki, albo w dysku grubym. Dysk gruby z kolei to część dyskowej struktury galaktyki bliższa jej centralnym częściom. W okolicach Słońca, które jest już daleko od centrum Galaktyki, większość gwiazd należy do cienkiego dysku.

Najstarsze centralne części Drogi Mlecznej liczą sobie 13 miliardów lat

Po dokładnym rozlokowaniu gwiazd o znanym wieku w różnych miejscach Galaktyki, astronomowie mogli ocenić ich wiek (miejsc nie gwiazd). I tu czekało ich zaskoczenie, gdyż okazuje się, że Droga Mleczna powstawała w dwóch charakterystycznych etapach, a najstarsze centralne jej części są nawet 2 miliardy lat starsze niż dotychczas sądzono.

W skrócie wygląda to następująco:

• 800 milionów lat po powstaniu Wszechświata, czyli 13 miliardów lat temu, rozpoczęło się formowanie grubego dysku Galaktyki,
• w tym samym czasie tworzyło się halo galaktyczne, jednak ten proces nabiera tempa dopiero 2 miliardy lat później po „skonsumowaniu” przez młodą Drogę Mleczną towarzyszącej jej galaktyki karłowatej Gaia-Sausage-Enceladus,
• powstawanie dysku cienkiego to druga faza formowania się dzisiejszej Galaktyki, która nastąpiła po wyczerpaniu się dużych ilości gazu międzygwiazdowego w grubym dysku około 8 miliardów lat temu,
• obecnie procesy gwiazdotwórcze zachodzą w cienkim dysku, w tempie sporo mniejszym niż miało to miejsce w początkach istnienia naszej Galaktyki.

Przy okazji odkryto ścisłą relację wiek gwiazd, a ich metaliczność, dla obiektów, które powstawały w tej pierwszej fazie formowania się Galaktyki. To największe zaskoczenie, gdyż dotychczas sądzono, że metaliczność zależy również od lokalizacji gwiazd w grubym dysku, a nie tylko od wieku danej populacji.

Dane z teleskopu Gaia źródłem wielu ważnych odkryć

Po raz kolejny przekonujemy się jak ważną rolę odgrywają masowe przeglądy nieba i powstające na ich podstawie katalogi gwiazd. Tworzenie takich baz danych, w których zawarta jest nie tylko odległość, jasność i kolor, ale też pozycja oraz ruch własny gwiazd, to dość długa procedura w której udział biorą setki ekspertów. Ostrożnie weryfikują oni zebrane przez Gaia dane i przekładają na język strawny dla innych astronomów, którzy potem przekopują się przez bazę danych Gaia.

Baza ta jest stopniowo doprecyzowywana przez kolejne obserwacje. Najnowsza wersja katalogu Gaia, tak zwana 3 edycja, spodziewana jest w połowie czerwca tego roku. Dzięki niej powstanie jeszcze dokładniejszy niż dotychczas trójwymiarowy model najbliższego otoczenia naszej Galaktyki.

I pomyśleć, że jeszcze 100 lat temu astronomowie uważali odległe galaktyki za mgławice w granicach Drogi Mlecznej. Ten pogląd zmienił w 1924 roku Edwin Hubble, którego obserwacje potwierdziły ogromną odległość do innych galaktyk. To odkrycie jednocześnie zmieniło status Drogi Mlecznej, która ze szczególnego obiektu, niegdyś utożsamianego z całym Wszechświatem, stała się jednym z bilionów galaktyk podobnych sobie.

Źródło: MPG, inf. własna, fot wejściowe: Stefan Payne-Wardenaar / MPIA