Dalekie Czerwone Jądro - za duża i zbyt ciężka gromada galaktyk

Powstawanie galaktyk oraz ich ewolucja mogą być wyjaśniane za pomocą kilku obowiązujących współcześnie hipotez. Na ogół przyjmuje się, iż galaktyki w swej strukturze wyłaniają się z odpowiedniej ilości gazu. Pojedynczy gazowy obłok nabiera masy, być może rodzi się w efekcie kolizji kilku różnych obłoków, tak czy inaczej materia koncentruje się w lokalnych zagęszczeniach, formując gwiazdy będące źródłem światła i energii. Galaktyki grupują się, stając w swej największej skali skupiskami zwanymi gromadami lub supergromadami galaktyk. Zawierają wówczas od 100 do 1000 galaktyk, stając się największymi stabilnymi grawitacyjnie strukturami we Wszechświecie. Cały proces musi jednak odpowiednio długo trwać.

Uważa się, iż powstanie gromad galaktyk nastąpiło we wczesnej fazie życia Wszechświata, co oznacza, iż formowanie galaktycznych gwiazd, biorąc pod uwagę olbrzymie rozmiary niektórych młodych gromad, następować musiało w wyjątkowo zawrotnym tempie. Modele, którymi obecnie dysponuje nauka nie bardzo jednak potrafią wytłumaczyć tę szybkość. Ewolucja owych protogromad stanowi więc dla astrofizyków nie lada zagadkę, której rozwiązanie może rzucić nieco światła na procesy ekspansji Wszechświata.

Życie galaktyki

Cykl życia galaktyki obejmuje jej fazę “młodzieńczą”, gdzie obserwowalna emisja silnego promieniowania ultrafioletowego oznacza istnienie jasnych i gorących gwiazd, oraz fazę “starzenia”, w której promieniowanie słabnie przesuwając się w swym widmie od niebieskiego w kierunku czerwonego (im większe przesunięcie, tym bardziej odległe w czasie). Obok młodych gromad galaktyk (protogromady), wciąż niezwykle aktywnych, astrofizycy zlokalizowali mnóstwo martwych (czerwonych) galaktyk eliptycznych także pogrupowanych w gromady. Gromady te zawierają pozostałości masywnych niegdyś galaktyk wciąż powiązanych grawitacyjnie. Materiał do budowy gwiazd w przypadku tych galaktyk wyczerpał się, w ich przestrzeni nie rodzą się już nowe słońca. 

Galaktyki wybuchowe (starburst galaxies)

Podstawowa klasyfikacja galaktyk przebiega ze względu na ich kształt (system klasyfikacji Hubble'a). Wśród podstawowych typów znajdziemy tu obiekty eliptyczne, spiralne i nieregularne. Taki podział nie bierze jednak pod uwagę ważnych cech, w tym aktywności, która w kontekście omawianych kwestii jest niezwykle istotna. 

Najbardziej powszechny typ galaktyk gwiazdotwórczych obejmuje obiekty, w obszarze których powoli i sukcesywnie, w spokojny i równym tempie w ciągu około 10 miliardów lat zużyty zostaje zapas gazów w procesie tworzenia wciąż nowych gwiazdy. Galaktyki utrzymują przy tym niebieską barwę emitowanego promieniowania oraz morfologię dysku. Określa się je często mało finezyjnie jako zwykłe galaktyki gwiazdotwórcze. Nieco więcej polotu wykazano podczas charakterystyki tzw. galaktyk wybuchowych (starburst galaxies) formujących każdego roku tysiące gwiazd, wypalających swoje paliwo w ekspresowym tempie maksymalnie 300 milionów lat. Zdaniem specjalistów to one właśnie są najbardziej podejrzane o bycie protoplastami obserwowanych dziś wymarłych masywnych galaktyk eliptycznych.

Kłopotliwe obserwacje 

Niestety obserwacje tego typu obiektów są bardzo kłopotliwe. Nie tylko należy zajrzeć dostatecznie głęboko w czasoprzestrzeń kosmiczną, ale także spojrzeniem objąć odpowiednio rozległy obszar Wszechświata. Protogromady nie zdążyły bowiem utworzyć jeszcze dostatecznie zwartych struktur jakie posiadają gromady już “dojrzałe”. Ponadto podczas penetracji nieba przez teleskopy galaktyki wybuchowe są pomijane będąc zasłoniętymi przez pył. Gwałtowny przyrost liczby gwiazd generuje bowiem powstanie dużej liczby metali ciężkich, które zderzając się ze sobą w przestrzeni podnoszą swoiste “tumany” pyłu. Cząsteczki pyłu skutecznie blokują promieniowanie w paśmie optycznym i, co najistotniejsze, ultrafioletowym, stając się niewidoczne dla teleskopów pracujących w tych zakresach częstotliwości. Z tych właśnie względów jak dotąd udawało się rejestrować sygnały pochodzące głównie z kończących swój żywot galaktyk eliptycznych. Uważa się jednak, iż Kosmos pełen jest galaktyk “wybuchowych”, aby można je było badać potrzebne są jednak nowe metody obserwacji. 

Ich emisja w zakresie podczerwieni stwarza jednak pewne szanse przeprowadzenia skutecznych penetracji. Teleskopy Herschela i Spitzera, operujące w tym zakresie pasma, zaczęły dostarczać wielu cennych danych na temat zasłoniętych przez pył fragmentów Wszechświata. Czułość tych instrumentów wciąż nie była jednak zadowalająca, aż w 2013 roku do użytku oddano Układ Atacama - ponad 60 anten w systemie dającym blisko 600 razy większą rozdzielczość od obserwatorium Herschela. Atacama zaczęła spisywać się doskonale podczas badania zapylonych rejonów Kosmosu. Astrofizycy zaczęli pokładać w teleskopie wielkie nadzieje - zaczęły napływać nowe, nierzadko emocjonujące dane.

Problematyczne wyniki 

W roku 2018 niezależne zespoły badawcze zaobserwowały i spenetrowały dwa wyjątkowo odległe (w czasie i przestrzeni) skupiska galaktyk wybuchowych, wcześniej ukryte i niewidoczne dla teleskopów podczerwonych pierwszej generacji. SPT2349-56 i Dalekie Czerwone Jądro (Distant Red Core) okazały się obszarami wyjątkowo gwałtownego wzrostu - rocznie odnotowuje się tam przyrost blisko 10 000 razy większej masy gwiazd niż w przypadku Drogi Mlecznej w obszarze znacznie mniejszym niż nasza Grupa Lokalna. Pełne badania (określenie masy) wymagały jednak informacji pochodzących z całego zakresu emitowanego promieniowania. Zrealizowano je w przypadku Dalekiego Czerwonego Jądra. Informacje, które napłynęły pod koniec lata 2018 roku dotyczyły zarówno promieniowania ultrafioletowego jak i optycznego pochodzącego sprzed 12 miliardów lat i stanowiły pierwszy tego typu przypadek w historii. W tym celu wykorzystano także teleskop Hubble'a, Spitzera oraz aparaturę Obserwatorium Gemini. Członek zespołu badawczego Arianna S. Long nie kryła ekscytacji podczas wstępnego odczytania danych, pierwszego spojrzenia w tak odległy zakątek Wszechświata. Jaki obraz ukazał się oczom badaczki? 

Cechą charakterystyczną tego obszaru był nieregularny kształty obecnych tam galaktyk, co oznacza bliskie w czasie lub wciąż trwające galaktyczne zderzenia. Najbardziej interesujące okazała się jednak sama liczba gwiazd wchodzących w skład tamtejszych galaktyk - trzy razy więcej niż w przypadku Mlecznej Drogi, uformowanych przy tym w znacznie krótszym czasie. Wszystkie dostępne obecnie modele ewolucji Wszechświata mają problem z wytłumaczeniem takiego tempa wzrostu. Założenia wynikające z istniejących praw fizyki podczas budowy tego rodzaju modeli dają obraz Wszechświata, w którym tej wielkości tempo wzrostu prowadzi do rozerwania galaktyk, albo ich rozgrzania, w wyniku którego cały gaz potrzebny do uformowania gwiazd wyrzucony zostanie poza obszar galaktyki. Uwagę doktorantki zwrócił także fakt ogromnej masy całej protogromady. Drobne błędy powstałe podczas jej wyznaczania nie miały istotnego wpływu na wynik. Czerwone Jądro okazało się zbyt ogromne dla Wszechświata ewoluującego w znany astrofizykom sposób. Zagadką pozostają okoliczności tak szybkiego tempa wzrostu. Próba precyzyjnej weryfikacji masy gwiazd w oparciu o istnienie ciemnej materii potwierdziła tylko niemożliwość istnienia tak dużej protogromady w kontekście obowiązujących praw fizyki. Symulacje dzisiejszego obrazu Czerwonego Jądra potwierdziły jej hipotetyczną wielkość w rozmiarze przewyższającym największą znaną obecnie astrofizykom gromadę galaktyk (ponad 10¹⁵ mas Słońca). Biorąc pod uwagę spodziewane niedoszacowanie ilości galaktyk Dalekiego Czerwonego Jądra, czyli istnienia pewnej liczby galaktyk, które nie znalazły się w polu obserwacji teleskopów, naukowcy dostali naprawdę trudny orzech do zgryzienia. 

Czy zatem należy brać pod uwagę możliwość wcześniejszego rozpoczęcia procesu formowania galaktyk, niż obecnie powszechnie przyjęty? Czy należy zmodyfikować wiedzę na temat powstawania pierwszych pierwiastków? Zweryfikować mechanizmy procesów zachodzących podczas powstawania gwiazd? Kolejne gromady galaktyk czekają już w kolejce na badanie i ewentualną inspekcję praw rządzących Kosmosem.