Skąd się bierze gwiezdny pył

Obserwacje nieba prowadzone za pomocą teleskopów kosmicznych utrudnia galaktyczny pył. Cząsteczki pyłu hamują promieniowanie zarówno w paśmie optycznym, jak i ultrafioletowym, czyniąc badane obiekty niewidocznymi dla urządzeń pracujących w tych zakresach częstotliwości. Ów pył istniał już w bardzo wczesnym etapie ewolucji Wszechświata, stąd obecnie tak trudna jest penetracja odległych zakamarków Kosmosu.

Kwestia źródeł pyłu i procesów fizycznych, które legły u podstaw ewolucji galaktyk mają jednak szansę zostać wyjaśnione. Metody teoretycznej analizy i obserwacji radiowej dają przekonujące dowody wzrostu zapylenia spowodowanego gwałtownym rozrostem niektórych galaktyk, generującym w procesie ekspansji dużą liczbę pierwiastków metali ciężkich.

Obserwacje odległych galaktyk

Odległe galaktyki - giganty występujące już w swej rozwiniętej formie na bardzo wczesnym etapie rozwoju Wszechświata są dla astrofizyków dużym wyzwaniem w kontekście ich powstawania i rozwoju (o czym pisaliśmy już wcześniej). Jednym z problemów z nimi związanych jest właśnie obecność pyłu, a w zasadzie jego olbrzymich ilości, istniejących już w początkowym okresie życia stosunkowo młodego wówczas Wszechświata (pierwszy miliard lat). Na pytanie o to w jaki sposób tak ogromna ilość pyłu mogła pojawić się w tak krótkim czasie od momentu Wielkiego Wybuchu mogą udzielić odpowiedzi badania prowadzone dzięki radioteleskopowi Atacama Large Millimeter/ Submillimeter Array (ALMA).

Projekt ALMA

ALMA jest obecnie najnowocześniejszym teleskopem prowadzącym badania z wykorzystaniem promieniowania pochodzącego od najzimniejszych obiektów w Kosmosie. Analizowane promieniowanie występuje w zakresie fal milimetrowych i submilimetrowych (od 31,3 GHz do 950 GHz). ALMA obejmuje zespół sześćdziesięciu sześciu radioteleskopów rozmieszczonych na obszarze pustyni Atacama w północnym Chile (dobre warunki pogodowe oraz bardzo niska wilgotność powietrza) i stanowi największy naziemny projektem służący badaniu przestrzeni kosmicznej. Dzięki ALMA naukowcy są w stanie wykryć światło podczerwone przenikające przez pyłowe obłoki spowijające odległe galaktyki i ich nowo powstające gwiazdy. 

Źródła pyłu

Dość długo astrofizycy uważali, iż źródeł pyłu upatrywać należy w eksplozjach supernowych. Dobiegająca kresu swego życia gwiazda miała być swoistym generatorem tego rodzaju materii. Szacunkowa ilość pyłu znacznie przewyższała jednak wartości, za które odpowiedzialne mogły być wybuchy gwiazd. Obecnie można skłaniać się ku twierdzeniu, że za obłoki pyłu przesłaniające obraz odległych galaktyk odpowiedzialne są także zderzenia cząstek metali będących składnikiem zimnego gazu wypełniającego międzygalaktyczną przestrzeń. Na taką tezę wpływ miały prowadzone badania teoretyczne, które wydają się być potwierdzane wynikami obserwacji.

Do badania fizycznych właściwości obserwowanych galaktyk wykorzystano technikę modelowania szerokopasmowych widm energetycznych. Widmo energetyczne - powiązanie wypromieniowanej energii z długością fali - jest podstawową charakterystyką badanego obiektu galaktycznego i stanowi bezcenne źródło danych na temat procesów fizycznych zachodzących w galaktyce. Modelowaniem widm energetycznych badacze mogą posługiwać się w ramach szacowania masy galaktycznych gwiazd lub właśnie masy pyłu obecnego w danej galaktyce. 

Bardzo istotne były też wyniki analizy stosunku masy pyłu do masy gwiazd, które obrazowały zmiany wielkości pyłu w czasie ewolucji danej galaktyki. Pozwoliło to oszacować stosunek masy pyłu do masy gwiazdy zarówno dla kategorii zwykłych galaktyk ciągu głównego, jak i bardziej ekstremalnych obszarów formowania gwiazd zwanych galaktykami wybuchowymi (starburst galaxies). Galaktyki tego rodzaju należą do przestrzeni, w której zachodzi wyjątkowo intensywny proces formowania nowych gwiazd w porównaniu do przebiegu tych zjawisk w większości “normalnych” galaktyk. Proces ten może być wynikiem kolizji lub kontaktu dwóch sąsiednich galaktyk. Badając oba typy gwiezdnych układów, stwierdzono, że bez względu na masę, rozmiary gwiazd i odległości między nimi, wybuchowe galaktyki gwiazdotwórcze posiadają znacznie wyższy współczynnik pyłu niż galaktyki zwykłe.

Wyniki badań konfrontowane są z obowiązującym modelem symulacji życia galaktyk - powstania i rozwoju milionów galaktyk od Wielkiego Wybuchu do czasów obecnych z uwzględnieniem wielu własności fizycznych, w tym interesującej astrofizyków masy pyłu. Pakiet symulacji SIMBA doskonale zobrazował otrzymane wyniki obserwacji, choć wcześniejsze modele nie radziły sobie ze skorelowaniem masy pyłu z charakterystyką gwiazd.

Wygląda na to, iż powstawanie pyłu związane jest zarówno z wybuchami gwiazd kończącymi ich cykl życia (supernowa), jak również procesami mającymi miejsce w przestrzeni międzygwiezdnej masywnych galaktyk i zachodzącymi w efekcie zderzeń cząstek metali wysoce stężonego gazu powstającego podczas gwałtownego przyrostu liczby gwiazd. Jest to o tyle miarodajne, że efekty obserwacji pokrywają się w tym przypadku z wyliczeniami uzyskanymi dzięki zastosowaniu modeli teoretycznych.