Η Νέα Ιστορία του Γαλαξία

Όταν οι Khoisan κυνηγοί-τροφοσυλλέκτες της υποσαχάριας Αφρικής κοίταξαν το μαιανδρικό μονοπάτι των αστεριών και της σκόνης που χώριζε τον νυχτερινό ουρανό, είδαν τη χόβολη μιας φωτιάς. Οι Πολυνήσιοι ναυτικοί αντιλήφθηκαν έναν καρχαρία που τρώει σύννεφα. Οι αρχαίοι Έλληνες είδαν ένα ρεύμα γάλακτος, το gala , το οποίο τελικά θα οδηγήσει στον σύγχρονο όρο «γαλαξίας».

Τον 20ο αιώνα, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι ο ασημένιος ποταμός μας είναι μόνο ένα κομμάτι από ένα τεράστιο νησί από αστέρια και έγραψαν τη δική τους ιστορία γαλαξιακής προέλευσης. Με την απλούστερη έκφραση, υποστήριξε ότι ο Γαλαξίας μας ενώθηκε πριν από σχεδόν 14 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν τεράστια σύννεφα αερίου και σκόνης συγχωνεύτηκαν υπό τη δύναμη της βαρύτητας. Με την πάροδο του χρόνου, εμφανίστηκαν δύο δομές:πρώτα, ένα τεράστιο σφαιρικό «φωτοστέφανο» και αργότερα, ένας πυκνός, φωτεινός δίσκος. Δισεκατομμύρια χρόνια μετά, το δικό μας ηλιακό σύστημα περιστράφηκε μέσα σε αυτόν τον δίσκο, έτσι ώστε όταν κοιτάμε έξω τη νύχτα, βλέπουμε χυμένο γάλα — μια ακραία όψη του δίσκου που εκτοξεύεται στον ουρανό.

Ωστόσο, τα τελευταία δύο χρόνια, οι ερευνητές έχουν ξαναγράψει σχεδόν κάθε σημαντικό κεφάλαιο της ιστορίας του γαλαξία. Τι συνέβη? Έχουν καλύτερα δεδομένα.

Στις 25 Απριλίου 2018, ένα ευρωπαϊκό διαστημόπλοιο με το όνομα Γαία δημοσίευσε μια εκπληκτική ποσότητα πληροφοριών για τον ουρανό. Ουσιαστικά, το σύνολο δεδομένων της Γαίας για χρόνια περιέγραψε τις λεπτομερείς κινήσεις περίπου 1 δισεκατομμυρίου αστεριών. Προηγούμενες έρευνες είχαν χαρτογραφήσει την κίνηση μόλις χιλιάδων. Τα δεδομένα έφεραν στη ζωή μια προηγουμένως στατική λωρίδα του γαλαξία. "Η Gaia ξεκίνησε μια νέα επανάσταση", δήλωσε ο  Federico Sestito, αστρονόμος στο Αστρονομικό Παρατηρητήριο του Στρασβούργου στη Γαλλία.

Οι αστρονόμοι έτρεξαν για να κατεβάσουν τον δυναμικό αστρικό χάρτη και ακολούθησε μια σειρά ανακαλύψεων. Βρήκαν ότι μέρη του δίσκου, για παράδειγμα, φαίνονταν απίστευτα αρχαία. Βρήκαν επίσης στοιχεία επικών συγκρούσεων που διαμόρφωσαν τη βίαιη νεότητα του Γαλαξία, καθώς και νέα σημάδια ότι ο γαλαξίας συνεχίζει να αναδεύεται με απροσδόκητο τρόπο.

Συνολικά, αυτά τα αποτελέσματα δημιούργησαν μια νέα ιστορία για το ταραχώδες παρελθόν του γαλαξία μας και το διαρκώς εξελισσόμενο μέλλον του. «Η εικόνα μας για τον Γαλαξία μας άλλαξε τόσο γρήγορα», είπε ο Michael Petersen, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου. «Το θέμα είναι ότι ο Γαλαξίας δεν είναι ένα στατικό αντικείμενο. Τα πράγματα αλλάζουν γρήγορα παντού.”

Τα Πρώιμα Αστέρια

Για να κοιτάξουν πίσω στις πρώτες μέρες του γαλαξία, οι αστρονόμοι αναζητούν αστέρια που υπήρχαν τότε. Αυτά τα αστέρια κατασκευάστηκαν μόνο από υδρογόνο και ήλιο, τα πιο ακατέργαστα υλικά του Κόσμου. Ευτυχώς, τα μικρότερα αστέρια από αυτό το πρώιμο απόθεμα αργούν επίσης να καούν, έτσι πολλά εξακολουθούν να λάμπουν.

Μετά από δεκαετίες ερευνών, οι ερευνητές είχαν συγκεντρώσει έναν κατάλογο 42 τέτοιων αρχαίων, γνωστών ως εξαιρετικά φτωχά σε μέταλλα αστέρια (για τους αστρονόμους, οποιοδήποτε άτομο πιο ογκώδες από το ήλιο χαρακτηρίζεται ως μεταλλικό). Σύμφωνα με την τυπική ιστορία του Γαλαξία, αυτά τα αστέρια θα πρέπει να σωρεύουν σε όλο το φωτοστέφανο, το πρώτο μέρος του γαλαξία που σχηματίστηκε. Αντίθετα, τα αστέρια στο δίσκο - για τα οποία πιστεύεται ότι χρειάστηκαν ίσως επιπλέον δισεκατομμύρια χρόνια για να στραφούν σε επίπεδο - θα πρέπει να είναι μολυσμένα με βαριά στοιχεία όπως ο άνθρακας και το οξυγόνο.

Στα τέλη του 2017, ο Sestito ξεκίνησε να μελετήσει πώς κινείται αυτό το φτωχό σε μέταλλο σμήνος γράφοντας κώδικα για να αναλύσει τα επερχόμενα αποτελέσματα της Gaia. Ίσως τα σφαιρικά μονοπάτια τους θα μπορούσαν να προσφέρουν κάποιες ενδείξεις για το πώς δημιουργήθηκε το φωτοστέφανο, σκέφτηκε.

Τις ημέρες μετά την απελευθέρωση των δεδομένων της Γαίας, εξήγαγε τα 42 αρχαία αστέρια από το πλήρες σύνολο δεδομένων και στη συνέχεια παρακολούθησε τις κινήσεις τους. Διαπίστωσε ότι οι περισσότεροι έκαναν ροή μέσω του φωτοστέφανου, όπως είχε προβλεφθεί. Αλλά μερικοί - περίπου 1 στους 4 - δεν ήταν. Μάλλον, εμφανίστηκαν κολλημένοι στο δίσκο, τη νεότερη περιοχή του Γαλαξία. «Τι διάολο», αναρωτήθηκε ο Σεσίτο, αν και χρησιμοποίησε έναν διαφορετικό όρο με τέσσερα γράμματα. "Τι συμβαίνει;"

Η έρευνα παρακολούθησης επιβεβαίωσε ότι τα αστέρια είναι πραγματικά μακροχρόνια κάτοικοι του δίσκου, και όχι μόνο τουρίστες που περνούν από αυτόν. Από δύο πρόσφατες έρευνες, ο Sestito και οι συνεργάτες του συγκέντρωσαν μια βιβλιοθήκη με περίπου 5.000 φτωχά σε μέταλλα αστέρια. Μερικές εκατοντάδες από αυτούς φαίνεται να είναι μόνιμοι κάτοικοι του δίσκου. Μια άλλη ομάδα κοσκίνισε περίπου 500 αστέρια που εντοπίστηκαν από μια άλλη έρευνα, διαπιστώνοντας ότι περίπου 1 στα 10 από αυτά τα αστέρια βρίσκονται επίπεδα σε κυκλικές, ηλιόλουστες τροχιές. Και μια τρίτη ερευνητική ομάδα βρήκε αστέρια διαφόρων μεταλλικότητας (και επομένως διαφόρων ηλικιών) να κινούνται σε τροχιές επίπεδων δίσκων. «Αυτό είναι κάτι εντελώς νέο», είπε η επικεφαλής συγγραφέας Πάολα Ντι Ματέο, αστρονόμος στο Αστεροσκοπείο του Παρισιού.

Πώς έφτασαν εκεί αυτοί οι αναχρονισμοί; Ο Sestito υπέθεσε ότι ίσως θύλακες παρθένου αερίου κατάφεραν να αποφύγουν όλα τα μέταλλα που εκδιώχθηκαν από τις σουπερνόβα για αιώνες, στη συνέχεια κατέρρευσαν για να σχηματίσουν αστέρια που έμοιαζαν παραπλανητικά παλιά. Ή ο δίσκος μπορεί να άρχισε να διαμορφώνεται όταν το φωτοστέφανο έγινε, σχεδόν 1 δισεκατομμύριο χρόνια νωρίτερα από το χρονοδιάγραμμα.

Για να δει ποιο ήταν πιο πιθανό, συνδέθηκε με τον Tobias Buck, έναν ερευνητή στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής Leibniz στο Πότσνταμ της Γερμανίας, ο οποίος ειδικεύεται στη δημιουργία ψηφιακών προσομοιώσεων γαλαξιών. Οι προηγούμενες προσπάθειες είχαν γενικά δημιουργήσει φωτοστέφανα πρώτα και δίσκους στη συνέχεια, όπως αναμενόταν. Αλλά αυτές ήταν προσπάθειες σχετικά χαμηλής ανάλυσης.

Ο Buck αύξησε την ευκρίνεια των προσομοιώσεών του κατά περίπου 10. Σε αυτήν την ανάλυση, κάθε εκτέλεση απαιτούσε εντατικούς υπολογιστικούς πόρους. Παρόλο που είχε πρόσβαση στο Υπερυπολογιστικό Κέντρο Leibniz της Γερμανίας, μια μόνο προσομοίωση απαιτούσε τρεις μήνες υπολογιστικού χρόνου. Επανέλαβε την άσκηση έξι φορές.

Από αυτά τα έξι, τα πέντε παρήγαγαν Doppelgängers του Milky Way. Δύο από αυτά περιείχαν σημαντικό αριθμό αστεριών δίσκων φτωχών σε μέταλλο.

Πώς μπήκαν αυτά τα αρχαία αστέρια στο δίσκο; Με απλά λόγια, ήταν αστρικοί μετανάστες. Μερικοί από αυτούς γεννήθηκαν σε σύννεφα που προϋπήρχαν του Γαλαξία. Τότε τα σύννεφα έτυχε να εναποθέσουν μερικά από τα αστέρια τους σε τροχιές που τελικά θα αποτελούσαν μέρος του γαλαξιακού δίσκου. Άλλα αστέρια προέρχονταν από μικρούς «νάνους» γαλαξίες που έπεσαν πάνω στον Γαλαξία και ευθυγραμμίστηκαν με έναν αναδυόμενο δίσκο.

Τα αποτελέσματα, που δημοσίευσε η ομάδα τον Νοέμβριο, υποδηλώνουν ότι τα κλασικά μοντέλα σχηματισμού γαλαξιών ήταν ημιτελή. Τα σύννεφα αερίου καταρρέουν σε σφαιρικά φωτοστέφανα, όπως αναμενόταν. Αλλά τα αστέρια που φτάνουν ακριβώς στις σωστές γωνίες μπορούν να ξεκινήσουν έναν δίσκο ταυτόχρονα. «[Οι θεωρητικοί] δεν είχαν άδικο», είπε ο Μπακ. "Τους έλειπε μέρος της εικόνας."

Μια βίαιη νεολαία

Οι επιπλοκές δεν σταματούν εκεί. Με τη Γαία, οι αστρονόμοι βρήκαν άμεσες ενδείξεις κατακλυσμικών συγκρούσεων. Οι αστρονόμοι υπέθεσαν ότι ο Γαλαξίας είχε μια ταραχώδη νεολαία, αλλά ο Helmer Koppelman, αστρονόμος τώρα στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ, χρησιμοποίησε τα δεδομένα της Γαίας για να βοηθήσει στον εντοπισμό συγκεκριμένων συντριμμιών από μια από τις μεγαλύτερες συγχωνεύσεις.

Η δημοσιοποίηση δεδομένων του 2018 της Gaia έπεσε την Τετάρτη και η τρελή βιασύνη για τη λήψη του καταλόγου πάγωσε τον ιστότοπό της, θυμάται ο Koppelman. Επεξεργάστηκε τα δεδομένα την Πέμπτη και μέχρι την Παρασκευή ήξερε ότι επρόκειτο για κάτι μεγάλο. Προς κάθε κατεύθυνση, είδε έναν τεράστιο αριθμό άστρων φωτοστέφανου να κάνουν πινγκ-πονγκ μπρος-πίσω στο κέντρο του Γαλαξία με τον ίδιο περίεργο τρόπο - μια ένδειξη ότι προέρχονταν από έναν μόνο νάνο γαλαξία. Ο Koppelman και οι συνάδελφοί του είχαν έτοιμο ένα σύντομο έγγραφο μέχρι την Κυριακή και το ακολούθησαν με μια πιο λεπτομερή ανάλυση τον Ιούνιο.

Τα γαλαξιακά συντρίμμια ήταν παντού. Ίσως τα μισά από όλα τα αστέρια στα εσωτερικά 60.000 έτη φωτός του φωτοστέφανου (το οποίο εκτείνεται εκατοντάδες χιλιάδες έτη φωτός προς κάθε κατεύθυνση) προήλθαν από αυτή τη μοναχική σύγκρουση, η οποία μπορεί να αύξησε τη μάζα του νεαρού Γαλαξία έως και 10 %. «Αυτό αλλάζει το παιχνίδι για μένα», είπε ο Koppelman. "Περίμενα πολλά διαφορετικά μικρότερα αντικείμενα."

Η ομάδα ονόμασε τον εισερχόμενο γαλαξία Γαία-Εγκέλαδος, από το όνομα της Ελληνίδας θεάς Γαίας —μιας από τις αρχέγονες θεότητες— και του γιου της Τιτάνα Εγκέλαδος. Μια άλλη ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ ανακάλυψε ανεξάρτητα τον γαλαξία περίπου την ίδια εποχή, βαφτίζοντάς τον Sausage για την εμφάνισή του σε ορισμένους τροχιακούς χάρτες.

Όταν ο Γαλαξίας και η Γαία-Εγκέλαδος συγκρούστηκαν, ίσως πριν από 10 δισεκατομμύρια χρόνια, ο ευαίσθητος δίσκος του Γαλαξία μπορεί να έχει υποστεί εκτεταμένη ζημιά. Οι αστρονόμοι συζητούν γιατί ο γαλαξιακός μας δίσκος φαίνεται να έχει δύο μέρη:έναν λεπτό δίσκο και έναν πιο παχύ, όπου τα αστέρια κάνουν bunge πάνω-κάτω ενώ περιφέρονται γύρω από το γαλαξιακό κέντρο. Έρευνα με επικεφαλής τον Ντι Ματέο δείχνει τώρα ότι η Γαία-Εγκέλαδος εξερράγη μεγάλο μέρος του δίσκου, φουσκώνοντάς τον κατά τη σύγκρουση. "Ο πρώτος αρχαίος δίσκος σχηματίστηκε αρκετά γρήγορα και μετά πιστεύουμε ότι ο Γαία-Εγκέλαδος τον κατέστρεψε κάπως", είπε ο Koppelman.

Νύξεις πρόσθετων συγχωνεύσεων έχουν εντοπιστεί σε δέσμες αστεριών γνωστά ως σφαιρικά σμήνη. Ο Diederik Kruijssen, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης στη Γερμανία, χρησιμοποίησε προσομοιώσεις γαλαξιών για να εκπαιδεύσει ένα νευρωνικό δίκτυο για να ελέγχει τα σφαιρικά σμήνη. Το έβαλε να μελετήσει τις ηλικίες, το μακιγιάζ και τις τροχιές τους. Από αυτά τα δεδομένα, το νευρωνικό δίκτυο θα μπορούσε να ανακατασκευάσει τις συγκρούσεις που συγκέντρωσαν τους γαλαξίες. Έπειτα το έβαλε σε δεδομένα από τον πραγματικό Γαλαξία. Το πρόγραμμα ανακατασκεύασε γνωστά γεγονότα όπως το Gaia-Enceladus, καθώς και μια παλαιότερη, πιο σημαντική συγχώνευση που η ομάδα έχει ονομάσει Kraken.

Τον Αύγουστο, η ομάδα του Kruijssen δημοσίευσε μια σειρά συγχώνευσης του Γαλαξία και των νάνων γαλαξιών που τον σχημάτισαν. Προέβλεψαν επίσης την ύπαρξη 10 πρόσθετων προηγούμενων συγκρούσεων που ελπίζουν ότι θα επιβεβαιωθούν με ανεξάρτητες παρατηρήσεις. "Δεν έχουμε βρει ακόμα τα άλλα 10", είπε ο Kruijssen, "αλλά θα τα βρούμε."

Όλες αυτές οι συγχωνεύσεις έχουν οδηγήσει ορισμένους αστρονόμους να προτείνουν ότι το φωτοστέφανο μπορεί να αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από αστέρια μεταναστών. Μοντέλα από τις δεκαετίες του 1960 και του 1970 προέβλεψαν ότι τα περισσότερα αστέρια φωτοστέφανου του Γαλαξία θα έπρεπε να είχαν σχηματιστεί στη θέση τους. Όμως, καθώς όλο και περισσότερα αστέρια έχουν αναγνωριστεί ως γαλαξιακές παρεμβολές, οι αστρονόμοι μπορεί να μην χρειάζεται να υποθέσουν ότι πολλά, αν υπάρχουν, αστέρια είναι αυτόχθονα, είπε ο Di Matteo.

Ένας ακόμα αναπτυσσόμενος γαλαξίας

Ο Γαλαξίας έχει απολαύσει μια σχετικά ήσυχη ιστορία τους πρόσφατους αιώνες, αλλά οι νεοφερμένοι συνεχίζουν να εισέρχονται. Οι αστρολόγοι στο νότιο ημισφαίριο μπορούν να εντοπίσουν με γυμνό μάτι ένα ζευγάρι νάνων γαλαξιών που ονομάζονται Μεγάλα και Μικρά Σύννεφα του Μαγγελάνου. Οι αστρονόμοι πίστευαν από καιρό ότι το ζευγάρι ήταν οι σταθεροί σύντροφοί μας σε τροχιά, όπως τα φεγγάρια του Γαλαξία.

Στη συνέχεια, μια σειρά από παρατηρήσεις του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble μεταξύ 2006 και 2013 διαπίστωσε ότι έμοιαζαν περισσότερο με εισερχόμενους μετεωρίτες. Ο Nitya Kallivayalil, ένας αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια, μέτρησε τα σύννεφα να έρχονται ζεστά με περίπου 330 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο — σχεδόν δύο φορές πιο γρήγορα από ό,τι είχε προβλεφθεί.

Όταν μια ομάδα με επικεφαλής τον Jorge Peñarrubia, έναν αστρονόμο στο Βασιλικό Αστεροσκοπείο του Εδιμβούργου, τσάκισε τους αριθμούς λίγα χρόνια αργότερα, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα γρήγορα σύννεφα πρέπει να είναι εξαιρετικά πυκνά — ίσως 10 φορές πιο ογκώδη από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.

«Ήταν έκπληξη μετά από έκπληξη», είπε ο Peñarrubia.

Διάφορες ομάδες έχουν προβλέψει ότι οι απροσδόκητα μοσχαρίσιοι νάνοι μπορεί να σέρνουν μέρη του Γαλαξία μας και φέτος η Peñarrubia συνεργάστηκε με τον Petersen για να βρει αποδείξεις.

Το πρόβλημα με την αναζήτηση κίνησης σε όλο τον γαλαξία είναι ότι ο Γαλαξίας είναι μια μανιασμένη χιονοθύελλα από αστέρια, με τους αστρονόμους να κοιτάζουν προς τα έξω από μια από τις νιφάδες χιονιού. Έτσι, η Peñarrubia και ο Petersen πέρασαν το μεγαλύτερο μέρος του lockdown για να ανακαλύψουν πώς να εξουδετερώσουν τις κινήσεις της Γης και του ήλιου και πώς να μετρήσουν την κίνηση των άστρων φωτοστέφανου, έτσι ώστε το εξωτερικό περιθώριο του φωτοστέφανου να μπορεί να χρησιμεύσει ως ακίνητο σκηνικό.

Όταν βαθμολόγησαν τα δεδομένα με αυτόν τον τρόπο, ανακάλυψαν ότι η Γη, ο ήλιος και ο υπόλοιπος δίσκος στον οποίο κάθονται βαδίζουν προς μια κατεύθυνση - όχι προς την τρέχουσα θέση του Μεγάλου Νέφους του Μαγγελάνου, αλλά προς τη θέση του γύρω στο ένα δισεκατομμύριο πριν από χρόνια (ο γαλαξίας είναι ένα θηρίο με αργά αντανακλαστικά, εξήγησε ο Petersen). Πρόσφατα εξέθεσαν τα ευρήματά τους στο Nature Astronomy .

Η ολίσθηση του δίσκου ενάντια στο φωτοστέφανο υπονομεύει μια θεμελιώδη υπόθεση:ότι ο Γαλαξίας είναι ένα αντικείμενο σε ισορροπία. Μπορεί να περιστρέφεται και να γλιστράει στο διάστημα, αλλά οι περισσότεροι αστρονόμοι υπέθεσαν ότι μετά από δισεκατομμύρια χρόνια, ο ώριμος δίσκος και το φωτοστέφανο είχαν εγκατασταθεί σε μια σταθερή διαμόρφωση.

Η ανάλυση των Peñarrubia και Petersen αποδεικνύει ότι αυτή η υπόθεση είναι εσφαλμένη. Ακόμη και μετά από 14 δισεκατομμύρια χρόνια, οι συγχωνεύσεις συνεχίζουν να σμιλεύουν το συνολικό σχήμα του γαλαξία. Αυτή η συνειδητοποίηση είναι απλώς η τελευταία αλλαγή στον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τη μεγάλη ροή γάλακτος στον ουρανό.

"Ό,τι πιστεύαμε ότι γνωρίζαμε για το μέλλον και την ιστορία του Γαλαξία μας", είπε ο Petersen, "χρειαζόμαστε ένα νέο μοντέλο για να το περιγράψουμε."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  Wired.com.