Nauka

Lustracja Drogi Mlecznej

Sonda Gaia zbada naszą Galaktykę

Galaktyka NGC 4565 uważana za bliźniaczo podobną do naszej Galaktyki. Jest od nas odległa o ok. 30 mln lat świetlnych. Galaktyka NGC 4565 uważana za bliźniaczo podobną do naszej Galaktyki. Jest od nas odległa o ok. 30 mln lat świetlnych. B.Hugo, L. Gaul, A. Block / NOA/ AURA/ NSF
Europejska Agencja Kosmiczna wysyła sondę Gaia, która pomierzy odległości do miliarda gwiazd i sporządzi trójwymiarową mapę naszej Galaktyki.
Fragment Drogi Mlecznej sfotografowany w podczerwieni przez orbitalny teleskop Spitzera.NASA/JPL - Caltech Fragment Drogi Mlecznej sfotografowany w podczerwieni przez orbitalny teleskop Spitzera.
Gaia na orbicie. Cylindryczna część mieści teleskop.ESA Gaia na orbicie. Cylindryczna część mieści teleskop.
Nasza Galaktyka widziana z góry (grafika) z zaznaczonym położeniem Układu Słonecznego.NASA/JPL - Caltech Nasza Galaktyka widziana z góry (grafika) z zaznaczonym położeniem Układu Słonecznego.

Kto chce zobaczyć przedmiot badań Gai, niech w bezksiężycową noc wybierze się tam, gdzie nie dociera łuna miejskich świateł. W takich warunkach nawet ktoś nieobdarzony szczególnie dobrym wzrokiem bez trudu dostrzeże przecinającą nieboskłon, bladosrebrzystą wstęgę Drogi Mlecznej.

Nie ma chyba kultury, która nie wiązałaby z nią jakiegoś mitu. Egipcjanie widzieli w niej niebieski odpowiednik Nilu. W mitach greckich była strugą mleka wyciśniętą z piersi Hery przez małego Heraklesa, którego śpiącej małżonce podsunął sam Zeus. Nieco inaczej opowiadali tę historię Rzymianie, ale jej finał był taki sam: z piersi bogini tryskało mleko i rozlewało się po niebie. To od nich przejęliśmy nazwę Droga Mleczna (łac. Via Lactea). Co ciekawe, w bodaj najpopularniejszej legendzie dalekowschodniej w ogóle nie ma mowy o mleku. Miejsce Drogi Mlecznej zajmuje Srebrna Rzeka rozdzielająca dwoje kochanków, którzy mogą nacieszyć się sobą tylko raz w roku, gdy jej brzegi zepnie most utworzony przez klucz ptaków.

Widok z karuzeli

Pierwszym, który podejrzewał, że Droga Mleczna może być zbiorowiskiem słabo świecących gwiazd, był prawdopodobnie Demokryt. Dwa tysiące lat później słuszność tych domysłów udowodnił Galileusz, posługując się własnoręcznie zbudowanym teleskopem. W jego wydanym w 1610 r. „Gwiezdnym Posłańcu” (Sidereus Nuncius) czytamy: „W którekolwiek jej [Drogi Mlecznej] miejsce byś teleskopu nie skierował, w polu widzenia natychmiast pojawia się ogromna liczba gwiazd. Wśród nich wiele jest dużych i okazałych, a mnogość małych i słabych jest prawdziwie niezgłębiona”. Ten olbrzymi układ gwiazdowy nazywa Galileusz zamiennie Drogą Mleczną lub Galaktyką (termin pochodzący od greckiego słowa mleko). Aż do lat 20. ubiegłego wieku astronomowie sądzili, że Galaktyka jest całym Wszechświatem. Dziś wiemy, że w kosmosie są setki miliardów podobnych układów. Te „gwiazdowe wyspy” na oceanie niemal doskonałej próżni noszą w astronomii nazwę galaktyk (dużą literą piszemy tylko jedną z nich – naszą).

Gdy kręcimy się w parku na karuzeli, bliższe drzewa przesuwają się cyklicznie na tle dalszych. Wprawiając w ruch Ziemię, Kopernik oczekiwał wystąpienia takiego samego efektu w przypadku gwiazd: byłby to niezbity dowód słuszności jego teorii. Co więcej, zmierzywszy maksymalne wychylenie gwiazdy od jej położenia średniego (tzw. paralaksę) mógłby obliczyć odległość dzielącą tę gwiazdę od Słońca. Niestety, dla jego prostych przyrządów wszystkie gwiazdy okazały się doskonale nieruchome. Aby to wyjaśnić, przeprowadził w „De Revolutionibus” urzekający jasnością wywód, zakończony stwierdzeniem: „co dowodzi ich [gwiazd] ogromnej wysokości [odległości], przy której nawet sfera ruchu rocznego [orbita Ziemi] niknie z naszych oczu”. Przewidziane przez Kopernika ruchy gwiazd próbował wykryć Tycho Brahe, ale i on musiał dać za wygraną, choć dysponował najlepszą aparaturą epoki przedteleskopowej. Fiasko jego wysiłków oznaczało, że odległość do najbliższych gwiazd jest co najmniej 7 tys. razy większa od promienia orbity Ziemi. Wydało mu się to tak absurdalne, iż odrzucił system heliocentryczny.

Dziś wiemy, że najbliższa gwiazda (Proxima Centauri) leży w odległości 4,2 roku świetlnego, czyli 270 tys. razy dalej od Słońca niż Ziemia. Wskutek ruchu Ziemi po orbicie przemieszcza się ona cyklicznie na tle dalszych gwiazd o niecałe dwie sekundy łuku – kąt, pod jakim widać dziesięciogroszówkę z odległości 1,5 km. Do pomiaru tak małych kątów nie wystarczał nawet teleskop Galileusza. Nie wiadomo zresztą, czy włoski uczony w ogóle próbował wykryć ruchy gwiazd, choć zachęcał go nie kto inny jak Johannes Kepler, odkrywca słynnych praw ruchu planet. Pierwszą paralaksę udało się wiarygodnie zmierzyć dopiero ponad 200 lat później, dla gwiazdy 61 Cygni. Dokonał tego Friedrich Wilhelm Bessel, dyrektor obserwatorium w Königsbergu (Królewcu). Znając paralaksę, mógł obliczyć odległość gwiazdy od Słońca, w tym przypadku równą 11,4 roku świetlnego.

Wężykiem po niebie

Od czasów Galileusza wiadomo było, że gwiazdy nie są rozmieszczone równomiernie w przestrzeni, lecz dopiero pod koniec XVIII w. William Herschel (znany szerzej jako odkrywca Urana) spróbował określić kształt Galaktyki. Doszedł do wniosku, iż jest ona nieregularnym dyskiem o średnicy pięciokrotnie większej od grubości i że Słońce znajduje się blisko jej środka. Herschel nie był, oczywiście, w stanie mierzyć paralaks, a co za tym idzie – odległości do gwiazd, ale dziś można oszacować średnicę jego Galaktyki na kilka tysięcy lat świetlnych (l. św.). Na przełomie XIX i XX w. podobne badania przeprowadził holenderski astronom Jacobus Kapteyn. Wyłonił się z nich dysk o takich samych proporcjach jak herschelowy, lecz znacznie większy. Jego średnica wynosiła 33 tys. l. św., a Słońce znajdowało się w odległości 2 tys. l. św. od jego środka.

Zgodnie ze współczesnym stanem wiedzy dysk Galaktyki ma średnicę 100 tys. l. św., a Słońce leży w odległości ok. 25 tys. l. św. od jej centrum. Żeby zrozumieć, dlaczego Herschel i Kapteyn tak bardzo się mylili, wyobraźmy sobie zamglony las. Jeśli mgła jest wystarczająco gęsta, to nawet ktoś, kto stoi blisko jego skraju, będzie miał wrażenie, że znalazł się w środku obszaru zajętego przez drzewa. Galaktyka jest „zamglona” przez rozrzedzone obłoki gazu i pyłu, określane wspólną nazwą materii międzygwiazdowej. Z istnienia tej kosmicznej mgły zaczęto zdawać sobie sprawę w połowie XIX w., ale jej badania rozpoczęły się dopiero w latach 30. minionego stulecia. Oddając sprawiedliwość Kapteynowi, trzeba wspomnieć, że choć mylił się co do położenia Słońca w Galaktyce i nie doszacował jej rozmiarów, to wykrył obrót galaktycznego dysku. Jak dowiodły późniejsze badania, każda gwiazda okrąża centrum Galaktyki w czasie tym dłuższym, im większy jest promień jej orbity. Słońce wraz z planetami biegnie wokół centrum z prędkością 220 km/s, dokonując pełnego obiegu w ciągu 230 mln lat.

Dzięki obserwacjom przeprowadzonym w ostatnich dziesięcioleciach w świetle widzialnym, w podczerwieni i na falach radiowych uzyskaliśmy spójny obraz rozmieszczenia gwiazd i ośrodka międzygwiazdowego. Wiemy też sporo o więzach łączących te dwie formy występowania materii.

Gwiazda powstaje, gdy obłok międzygwiazdowy zapada się pod wpływem własnej grawitacji. W jej wnętrzu samorzutnie uruchamia się reaktor termojądrowy przetwarzający wodór na hel i pierwiastki cięższe od helu, tradycyjnie nazywane w astronomii metalami. Gdy dalsza przemiana pierwiastków jest już z takich czy innych względów niemożliwa, zawartość reaktora zostaje częściowo lub całkowicie rozproszona w przestrzeni międzygwiazdowej. Pierwsze gwiazdy składały się niemal wyłącznie z wodoru i helu. Kolejne gwiezdne pokolenia zawierały coraz więcej metali; coraz bogatsza w nie stawała się też materia międzygwiazdowa. Na pewnym etapie tego procesu metali było już tyle, że wokół gwiazd zaczęły powstawać układy planetarne.

W tak naszkicowanym obrazie brakuje jednak wielu detali. Przede wszystkim takich, które poznamy dopiero wtedy, gdy pomierzymy odległości do wielu gwiazd i zbadamy, jak się one poruszają w przestrzeni. Gwiazdowym orbitom daleko bowiem do idealnych okręgów – wypada je raczej porównać do mniej lub bardziej nieregularnych rozet. Szczególnie nieregularne orbity mają gwiazdy pochodzące z pochłanianych przez Drogę Mleczną mniejszych galaktyk (astronomowie przypuszczają, że takich aktów kosmicznego kanibalizmu mogło być bardzo dużo). W rzucie na sklepienie nieba przestrzenny ruch gwiazdy obserwujemy jako jednostajne przesuwanie się na tle dużo dalszych obiektów, nazywane w astronomii ruchem własnym. Złożenie jednostajnego ruchu własnego z cyklicznym przesunięciem paralaktycznym powoduje, że gwiazda porusza się na niebie „wężykiem”.

Sonda Gaia ma te wężyki zaobserwować i pomierzyć dla miliarda gwiazd, czyli mniej więcej jednej setnej zawartości Galaktyki. Dla co piątej z nich zmierzy też prędkość wzdłuż linii widzenia, czyli prędkość, z jaką dana gwiazda zbliża się do Słońca bądź się od niego oddala. Poprzednik Gai, wystrzelony w 1989 r. europejski satelita Hipparcos, zmierzył paralaksy i ruchy własne prawie 120 tys. gwiazd. Osiągnął dokładność milisekundy łuku (kąt, pod jakim z Warszawy widać dziesięciogroszówkę umieszczoną w Lizbonie), dzięki czemu mogliśmy sporządzić trójwymiarową mapę otoczenia Słońca w promieniu 300 l. św. Za pomocą Gai sięgniemy sto razy dalej – w jedną stronę aż po kraniec dysku Galaktyki, a w drugą poza jej centrum.

Oczy Gai

Ważąca dwie tony Gaia zostanie wystrzelona z kosmodromu Kourou w Gujanie Francuskiej na pokładzie rakiety Sojuz-Fregat. Jej start jest obecnie planowany na 20 grudnia. Ponieważ superdokładne pomiary wymagają spokojnego otoczenia, Gaia oddali się od nas o 1,5 mln km i „zaparkuje” tam, gdzie siły przyciągania Słońca i Ziemi równoważą się z siłą odśrodkową związaną z ruchem naszej planety po orbicie. Osłonięta 10-metrowej średnicy „parasolem” uruchomi tam swój teleskop i rozpocznie pięcioletnią misję, w ciągu której dokona około 2 bln obserwacji.

Płynący z szybkością 50 GB na dobę strumień danych o położeniach i prędkościach gwiazd będzie analizowany przez ponad 450 naukowców z kilkunastu krajów. Znajdą się w nim także niezwiązane z misją Gai, lecz bardzo cenne dla astrofizyków, informacje o gwałtownych procesach objawiających się jako szybkie pojaśnienie obserwowanego obiektu, związane na przykład z jego wybuchem lub „połknięciem” przez czarną dziurę. Wyłapywaniem takich pojaśnień i śledzeniem przebiegu zaanonsowanych przez nie zjawisk zajmie się osobny, kilkudziesięcioosobowy zespół naukowy, w którym są polscy astronomowie z Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu Wrocławskiego.

Do teleskopu Gai światło wpada nie z przodu, lecz... z boku. A właściwie z dwóch boków, ponieważ satelita obserwuje jednocześnie dwa obszary nieba odległe od siebie o ponad 100 stopni (gdyby jedno jego „oko” patrzyło na południe, drugie zezowałoby nieco na północ od zachodu). Obrazy obu obszarów są rzutowane na ten sam olbrzymi detektor złożony z prawie miliarda pikseli. Wbrew pozorom nie jest to komplikacja podyktowana względami oszczędnościowymi, lecz przemyślana decyzja: taka metoda obserwacji umożliwia określenie położenia gwiazd na detektorze Gai z dokładnością do jednej dziesięciotysięcznej piksela.

Jeśli misja Gai się powiedzie, poznamy nie tylko budowę Galaktyki, ale i jej historię. Dowiemy się, ile mniejszych sąsiadek pochłonęła i jak one wyglądały. Liczne gwiazdy mają niewidocznych towarzyszy, których grawitacja zmusza je do „zataczania się” na tle innych gwiazd. Dzięki Gai poznamy naturę tych towarzyszy i przekonamy się, jak często występują wśród nich planety oraz odkryte niespełna 20 lat temu brązowe karły – obiekty pośrednie między gwiazdami i planetami. Ponieważ w pole widzenia Gai będą często trafiały planetoidy, uzupełnimy inwentarz drobnych ciał Układu Słonecznego (w tym takich, które mogą znaleźć się na kursie kolizyjnym z Ziemią).

Odkrywca ekspansji Wszechświata Edwin Hubble powiedział kiedyś, że historia astronomii jest jak wciąż oddalający się horyzont. Gaia wprawdzie nie sięgnie dalej niż inne współczesne teleskopy – usunie za to wiele białych plam z tych obszarów kosmosu, przez które przemknęliśmy w pogoni za owym horyzontem.

Polityka 50.2013 (2937) z dnia 10.12.2013; Nauka; s. 90
Oryginalny tytuł tekstu: "Lustracja Drogi Mlecznej"
Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Społeczeństwo

Jak rozpoznać depresję u dzieci?

Niedawno pisaliśmy o niewydolnym systemie pomocy dla najmłodszych, którzy coraz częściej zmagają się z problemami psychicznymi. Jak działać, gdy system nie działa? – pytamy Lucynę Kicińską z Fundacji Dajemy Dzieciom Siłę, koordynatorkę telefonu zaufania dla dzieci i młodzieży 116 111.

Joanna Cieśla
09.04.2019
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną