Samotne Słońce wśród gromad gwiazd

O skupiskach gwiazd, ich badaniu i misji Gaia opowiada dr Arkadiusz Hypki.

Spotkanie z naukowcem, 8 listopada 2018, godz. 19.00 >

Czym w ogóle jest gromada gwiazd? Jak powstaje?

Gromady gwiazd to skupiska wielu gwiazd, które są grawitacyjnie związane ze sobą. Generalnie dzielimy je na dwie grupy: otwarte i kuliste. Gromady otwarte to takie, które liczą od kilkuset do kilku tysięcy gwiazd, mają nieregularny kształt i są bardzo młode. Gromady kuliste są znacznie większe, mają kształt kulistych obłoków i łatwo rozpoznawalne jądro gromady, w którym gęstość jest znacznie większa. Gromady kuliste są bardzo stare – niektóre prawie tak stare jak Wszechświat.

Z powstawaniem gromad gwiazdowych wiąże się wiele nieodkrytych jeszcze tajemnic. Wiemy jednak, że gromady powstają z dużych obłoków gazowych. Poprzez działanie grawitacji, obłok taki ulega stopniowemu skompresowaniu. Tam, gdzie materia jest gęstsza, formują się gwiazdy. Gwiazdy zapalają się i świecą, jonizując wokół siebie materię. Kiedy najbardziej masywne z nich wybuchają jako supernowe, fale uderzeniowe pomagają tworzyć się kolejnym gwiazdom.

Czy gwiazdy często występują w gromadach, czy raczej są samotnikami? Wszak Słońce – najlepiej znana nam gwiazda – funkcjonuje  samotnie. A może kiedyś była częścią większej gromady?

To jedno z najstarszych pytań, na które naukowcy szukają dokładnej odpowiedzi. Odpowiedź na nie wciąż jest niejednoznaczna.

Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy poznać kontekst tego, czym są gromady w stosunku do innych obiektów astronomicznych. Zacznijmy od naszego Słońca. Jest ono gwiazdą, która nie ma bliskich sąsiadów. Najbliższa gwiazda znajduje się 4 lata świetlne od nas i ta odległość jest dość typową odległością pomiędzy gwiazdami w naszej galaktyce. Drogę Mleczną tworzy kilkaset miliardów gwiazd i to również jest rzecz typowa we Wszechświecie. Galaktyki mają zazwyczaj kształt dysków spiralnych (jak nasza) albo elips. Gromady gwiazdowe są obiektami, których rozmiar jest znacznie większy od Słońca i jego najbliższych sąsiadów, ale jednocześnie są znacznie mniejsze niż galaktyki.

Jeśli spojrzeć na gromady gwiazdowe przez pryzmat naszego Słońca, to tak – często występują one w gromadach. Typowa gromada zawiera setki tysięcy gwiazd. Największe mają nawet dwa miliony obiektów, które są usytuowane w przestrzeni nieporównywalnie gęściej, niż najbliższe sąsiedztwo Słońca. W jądrach gromad gwiazdowych może znajdować się nawet więcej niż 1000 gwiazd w odległości takiej, jak ta od Słońca do najbliżej nam gwiazdy.

Jeśli jednak spojrzeć na to pytanie z perspektywy galaktyk, to odpowiedź brzmi nie. Nawet gdyby dodać do siebie wszystkie gromady, to liczba gwiazd jest w nich znacznie mniejsza od liczby gwiazd w samej galaktyce, wokół której orbitują. Galaktyka nawet „nie odczuwa” istnienia gromad.

Czy Słońce pochodzi z gromady?

Obecnie uważa się, że zdecydowana większość gwiazd w galaktykach pochodzi właśnie z gromad gwiazdowych. Gwiazdy, które opuściły gromady lub zostały z nich „wyrzucone” w wyniku silnych oddziaływań dynamicznych z innymi gwiazdami, najczęściej „uciekały” do macierzystej galaktyki. To czyni gromady gwiazdowe ważnym obiektem badań dla astronomów zajmujących się powstawaniem galaktyk. Z naszym Słońca prawdopodobnie również nie ma wyjątku. Pytanie powinno brzmieć raczej: z jak dużej gromady pochodzi i w jakim wieku opuściło ono taką hipotetyczną gromadę? Wiele wskazuje na to, że była to raczej mała gromada, tzw. gromada otwarta, najpewniej powstała w jakimś ramieniu naszej galaktyki.

Jakie znamy największe gromady, a jakie najmniejsze? Które z nich są najlepiej znane, a które najciekawsze z punktu widzenia badacza?

Największa gromada w naszej Galaktyce to Omega Centauri. Jest ona stosunkowo blisko Ziemi, dlatego na nocnym niebie zajmuje obszar większy niż Księżyc! Znajduje się w niej kilka milionów gwiazd, co jest wartością ogromną, nawet jak na standardy gromad gwiazdowych. Ponadto, to również bardzo gęsta gromada – typowa odległość pomiędzy gwiazdami w jej jądrze to 0.1 roku świetlnego.

Najmniejsze gromady gwiazdowe to gromady otwarte. Jedną z najbardziej znanych na naszym niebie są Plejady, z pewnością doskonale znane miłośnikom astronomii. A także miłośnikom motoryzacji, ponieważ są widoczne na emblemacie jednej z marek samochodowych.

Z punktu widzenia badań naukowych, to właściwie wszystkie gromady są ważne. Gdy ktoś zajmuje się na przykład czarnymi dziurami, albo gwiazdami neutronowymi, to najchętniej bada najgęstsze gromady. Z kolei gromady, które są najodleglejsze mają ogromne znaczenie dla badania populacji gwiazd (zawierają one najstarsze gwiazdy o małej metaliczności).

Jak w gromadzie gwiazd wygląda sprawa ich oddziaływania grawitacyjnego? Czy jedne gwiazdy przyciągają inne? Czy mogą przyciągać się tak mocno, że dojdzie do zderzenia? I odwrotnie – czy gromady mogą się rozpadać?

Oddziaływania pomiędzy gwiazdami należą do jednych z najważniejszych procesów fizycznych, jakie zachodzą w gromadach. Dynamiczne oddziaływania grawitacyjne są jednym z tych parametrów, które odróżniają je od galaktyk. W galaktykach w ogólności nie dochodzi do zderzeń (kolizji) pomiędzy gwiazdami, dlatego nazywa się je bezkolizyjnymi. Natomiast w gromadach zachodzą one często, a w jądrach dużych gromad zdarzają się „co chwilę” – dlatego gromady nazywa się systemami kolizyjnymi. Poprzez kolizję rozumiemy nie tylko fizyczne zderzenie, ale również przeloty gwiazd obok siebie w tak małej odległości, że na skutek zbliżenia ich parametry mogą ulec zmianie. Ma to ogromne znaczenie z naukowego punktu widzenia.

Zderzenia pomiędzy gwiazdami w gromadach nie wpływają znacząco na wygląd, czy globalne parametry gromad. Mają jednak kluczowe znaczenie przy tworzeniu bardzo egzotycznych obiektów: ciasnych układów podwójnych, układów rentgenowskich, czarnych dziur, układów kataklizmicznych, pulsarów, gwiazd typu błękitni maruderzy i wielu innych. W gromadach gwiazdowych można spotkać niemalże wszystkie rodzaje obiektów astronomicznych, jakie znamy.

Gromady nie tylko mogą się rozpadać. Ostatecznie, czeka to każdą z nich. Im większa jest gromada oraz im dalej znajduje się ona od centrum galaktyki, tym większe ma szanse na dłuższe przetrwanie. Każda gromada systematycznie traci gwiazdy i staje się mniej masywna. W końcu jest w niej tak mało gwiazd, że wzajemna grawitacja przestaje je wiązać i gromada się rozpada.

Co do badań gromad gwiazdowych wniosła misja Gaia? Jaka jest Pańska rola przy analizie danych zebranych przez tego satelitę?

Misja Gaia jest bardzo ambitnym projektem. To misja, która nadal trwa – satelita Gaia cały czas zbiera informacje. Im dłużej je zbiera, tym dokładniejsze dane trafiają do naukowców. Dostarczyła już bardzo duży zbiór danych obserwacyjnych. Najważniejsze z nich to położenia, prędkości oraz parametry fizyczne gwiazd z naszej Galaktyki.

Większość gromad gwiazdowych jest bardzo daleko od nas oraz ma bardzo gęste centrum, którego nawet Gaia nie jest w stanie zaobserwować. Mimo tego dostarcza bogaty zbiór danych dla tych obiektów, co pozwala na modelowanie gromad gwiazdowych w oparciu o zewnętrzne części gromady. To bardzo skomplikowana procedura, ale bardzo ważna, ponieważ pozwala lepiej poznać mechanizmy rządzące ewolucją gromad.

Konsorcjum Gaia składa się z kilkuset osób, które poświęciły lata pracy na sukces tej misji. Ja jestem jedynie małym elementem tego zespołu. Moja rola polega przede wszystkim na zaproponowaniu narzędzia do analizy danych. Takiego, które będzie możliwie szybkie, łatwe w obsłudze, a jednocześnie bardzo potężne. Narzędzie, które rozwijam, nosi nazwę BEANS. Głównymi składnikami tego oprogramowania jest rozproszona baza danych Apache Cassandra (aby mieć możliwość analizy ogromnych zbiorów danych), wyszukiwarka Elastic (aby móc znaleźć dowolną informację w mgnieniu oka) oraz platforma Apache Hadoop (aby móc analizować dane z użyciem wielu komputerów). Wszystkie składowe oprogramowania BEANS są zdobyczami technologicznymi z powodzeniem wykorzystywanymi w przemyśle. To maksymalizuje szanse, że nadal będą rozwijane przez ogromną społeczność programistów na całym świecie.

W mojej pracy naukowej zajmuję się również badaniem gromad z wykorzystaniem kodu numerycznego MOCCA. Służy on do przeprowadzania dokładnej ewolucji gromad gwiazdowych o rzeczywistych rozmiarach. Wyniki takich symulacji można porównać do danych obserwacyjnych, np. z satelity Gaia.

Do jakich spektakularnych odkryć mogą przyczynić się badania gromad gwiazdowych?

Znanych jest wiele odkryć, które mniej lub bardziej dotyczą gromad gwiazdowych. Jednym z ostatnich bardzo ważnych tematów podejmowanych przez naukowców jest wytropienie średniomasywnej czarnej dziury w gromadzie gwiazdowej. Takie czarne dziury mogą mieć masy kilku tysięcy mas Słońca – są więc masywniejsze od gwiazdowych czarnych dziur, ale jednocześnie o wiele mniej masywne od tzw. supermasywnych czarnych dziur, znajdujących się w centrach galaktyk. Spekuluje się, że w niektórych gromadach muszą istnieć takie obiekty. Średniomasywne czarne dziury to brakujące ogniwo w procesie tworzenia się galaktycznych supermasywnych czarnych dziur. Zrozumienie natury ich powstawania wniosłoby ogromny wkład w rozwój astrofizyki.

Dziękuję za rozmowę.
 

Rozmawiała Katarzyna Nowicka
Data publikacji: 2 listopada 2018