Co jest większe od galaktyki?

Patrzysz nocą w niebo i zastanawiasz się, jak wielka jest Droga Mleczna? Z tego tekstu dowiesz się, co jest większe od galaktyki, jak powstają gigantyczne struktury kosmiczne i gdzie w tej hierarchii mieści się Ziemia. Poznasz też, jak z gwiezdnego pyłu rodzą się pierwiastki tworzące twoje ciało.

Jak duża jest galaktyka?

Galaktyka to ogromny układ gwiazd, gazu, pyłu i ciemnej materii, związany grawitacją w jedną całość. Nasza Droga Mleczna ma średnicę około 100 000–200 000 lat świetlnych i zawiera ponad 100 miliardów gwiazd. Dla ludzkiej wyobraźni to liczby wręcz abstrakcyjne, bo światło potrzebuje dziesiątek tysięcy lat, aby przebyć dystans od jednego krańca dysku galaktycznego do drugiego.

Granice galaktyki nie są jednak ostre jak krawędzie stołu. Wokół dysku gwiazdowego rozciąga się rozległe halo gazowe, zwane ośrodkiem okołogalaktycznym (CGM). Najnowsze badania, m.in. zespołu z ARC Centre of Excellence for All Sky Astrophysics in 3D (ASTRO 3D), pokazują, że otoczka gazowa może sięgać nawet 100 tysięcy lat świetlnych poza widoczny dysk i zawierać około 70 procent masy galaktyki (bez ciemnej materii). Dysk, który widzimy na zdjęciach, to więc tylko najbardziej jasny, centralny fragment znacznie większej struktury.

Dla wielu galaktyk halo gazowe jest dużo większe niż część gwiazdowa, a jednak pozostaje niemal niewidoczne w zwykłych obserwacjach.

Astronomowie przez lata mogli badać ten gaz tylko pośrednio, analizując, jak pochłania on światło od odległych kwazarów. Zmieniły to instrumenty takie jak Keck Cosmic Web Imager (KCWI) na 10‑metrowym teleskopie Kecka na Hawajach, które pozwalają z jednego obrazu uzyskać tysiące widm i dosłownie „sfotografować” rozproszone halo materii wokół galaktyki.

Gdzie kończy się galaktyka, a zaczyna przestrzeń międzygalaktyczna?

To pytanie wydaje się proste, dopóki nie spojrzy się na zachowanie gazu otaczającego galaktykę. Badania zespołu Nikole M. Nielsen pokazują, że w miarę oddalania się od centrum zmieniają się warunki fizyczne gazu. W części wewnętrznej gaz jonizują przede wszystkim fotony pochodzące od gwiazd w dysku. Dalej od galaktyki dominuje wpływ emisji z wielu galaktyk w kosmicznej skali oraz wstrząsy i fale uderzeniowe.

Ta zmiana sposobu ogrzewania i jonizacji gazu wyznacza przejście od ośrodka międzygwiazdowego w samej galaktyce do ośrodka międzygalaktycznego. Granica rzadko jest ostra niczym linia na mapie. W przytoczonym przypadku astronomowie uchwycili jednak dość wyraźne przejście, co pomaga lepiej zrozumieć, jak galaktyka łączy się z większą kosmiczną siecią.

Co jest większe od galaktyki?

Pojedyncza galaktyka to dopiero pierwszy poziom kosmicznej hierarchii. W przestrzeni Wszechświata galaktyki niemal nigdy nie są samotne. Grawitacja sprawia, że łączą się w grupy galaktyk i gromady galaktyk, które z kolei wchodzą w skład jeszcze większych układów.

Najbliższym środowiskiem Drogi Mlecznej jest Grupa Lokalna. To zbiór ponad 30 galaktyk, zdominowany przez dwa duże spirale: Drogę Mleczną i Galaktykę Andromedy. Wokół nich krążą liczne galaktyki karłowate, o dużo mniejszej masie. Takich grup w obserwowalnym Wszechświecie są miliony, a typowa grupa zawiera do 50 galaktyk.

Gromady galaktyk

Gdy w jednym rejonie przestrzeni galaktyk jest więcej, mówimy o gromadzie galaktyk. Gromady potrafią zawierać od kilkuset do nawet kilku tysięcy galaktyk. Wewnątrz nich znajduje się też ogromna ilość gorącego gazu, świecącego w promieniach X, oraz znaczna ilość ciemnej materii, która trzyma całość razem grawitacyjnie.

W praktyce to właśnie gromady są pierwszym poziomem naprawdę „masowych” struktur. W ich wnętrzu dochodzi do wielu zjawisk wpływających na ewolucję galaktyk: zderzeń, zlewania się, zrywania gazu przez gęsty ośrodek wewnątrz gromady. Dlatego badanie gromad pomaga wyjaśnić, dlaczego jedne galaktyki tworzą nowe gwiazdy, a inne już dawno przestały.

Supergromady galaktyk

Kilka lub kilkanaście gromad oraz grup, razem z galaktykami leżącymi pomiędzy nimi, tworzy supergromadę galaktyk. To już struktury o rozmiarach setek milionów lat świetlnych. Szacuje się, że w obserwowalnym Wszechświecie istnieje nawet około 10 milionów supergromad, choć ich dokładna liczba wciąż jest przedmiotem badań.

Klasycznym przykładem jest Supergromada w Pannie, zwana też Supergromadą Lokalną. Obejmuje ona ponad 100 grup i gromad, w tym naszą Grupę Lokalną. Galaktyki w supergromadach nie są jednak ściśle związane grawitacyjnie tak jak w gromadach. Czas potrzebny, aby osiągnęły równowagę dynamiczną, jest dłuższy niż wiek tych struktur, więc znajdują się one w stanie kosmicznego „ruchu przejściowego”.

Supergromada Laniakea

W 2014 roku astronomowie zaproponowali nowy sposób definiowania supergromad, oparty na przepływach materii w skali setek milionów lat świetlnych. W ten sposób wydzielili gigantyczną strukturę nazwaną Supergromadą Laniakea. To w jej obrębie znajduje się Droga Mleczna wraz z Grupą Lokalną.

Laniakea rozciąga się na ponad 500 milionów lat świetlnych i zawiera około 100 000 galaktyk. Jej masa jest szacowana na poziomie 10^17 mas Słońca, co czyni ją jednym z największych znanych układów tego typu. W jej skład wchodzą m.in. gromady w Pannie i Hydrze, a także liczne mniejsze skupiska galaktyk połączone grawitacyjnym ruchem w stronę wspólnego „przyciągającego” regionu.

Czy coś jest jeszcze większe niż supergromada?

Od lat 80. XX wieku astronomowie odkrywają struktury obejmujące wiele supergromad. Okazuje się, że w największej skali Wszechświat przypomina sieć, zbudowaną z włókien, ścian i ogromnych pustek. Mówimy wtedy o kosmicznej sieci lub kosmicznym webie.

Największe znane obiekty w tej sieci to struktury typu Wielka Ściana czy długie filamenty galaktyk. Jednym z przykładów jest Wielka Ściana Sloan, której długość przekracza 1 miliard lat świetlnych. To rozległy łańcuch gromad i supergromad, tworzących coś na kształt gigantycznej ściany otaczającej rozległe kosmiczne pustki.

Filamenty galaktyk

Filamenty to długie włókna materii, ciągnące się na setki milionów lat świetlnych. W ich wnętrzu znajdują się supergromady, gromady i grupy galaktyk, a także ogromne ilości rozrzedzonego gazu międzygalaktycznego. Tam zachodzi intensywny przepływ materii – gaz spływa po włóknach ku gęstym węzłom, gdzie powstają nowe gromady galaktyk.

Struktury te są bardzo delikatne w obserwacjach. Żeby je dostrzec, astronomowie analizują rozkład dziesiątek tysięcy galaktyk w badanych fragmentach nieba. Przełom przyniosły tu duże przeglądy, jak Sloan Digital Sky Survey, oraz instrumenty typu KCWI, które potrafią mierzyć słabe poświaty gazu w skali setek tysięcy lat świetlnych.

Voidy – kosmiczne pustki

Między włóknami i ścianami leżą ogromne pustki (voids). To obszary przestrzeni, w których galaktyk jest bardzo mało lub nie ma ich wcale. Rozmiary pustek sięgają dziesiątek, a nawet setek milionów lat świetlnych. Stanowią one znaczną część objętości Wszechświata, chociaż wizualnie trudno je uchwycić, bo brak w nich jasnych źródeł światła.

Te kontrasty pomiędzy gęstymi ścianami supergromad a rozległymi pustkami tworzą architekturę Wszechświata na największych skalach. Model kosmologiczny oparty na Wielkim Wybuchu i ciemnej materii pokazuje, że taka sieć powstała z drobnych fluktuacji gęstości we wczesnym Wszechświecie, wzmocnionych grawitacją. Część badań sugeruje też rolę pól magnetycznych w uporządkowaniu materii we wczesnych epokach kosmicznych.

Czarna dziura a galaktyka – kto jest „większy”?

Czy pojedynczy obiekt może rywalizować z galaktyką? Pod względem rozmiaru fizycznego nie. Ale pod względem masy i wpływu na otoczenie największe supermasywne czarne dziury dorównują małym galaktykom. Znajdują się one w centrach wielu galaktyk, w tym przypuszczalnie także w jądrze Drogi Mlecznej.

Rekordzistką jest czarna dziura TON 618 o masie ponad 66 miliardów mas Słońca. Sama jej średnica to „tylko” miliardy kilometrów, czyli ułamek rozmiaru galaktyki. Ale oddziaływanie grawitacyjne, rozgrzewanie gazu i emisja promieniowania w jej pobliżu wpływają na przestrzeń obejmującą znaczny obszar galaktycznego centrum.

Czarne dziury nie przewyższają galaktyk rozmiarem, lecz masą i energetycznym oddziaływaniem na otaczającą materię.

Wokół supermasywnych czarnych dziur często tworzą się aktywne jądra galaktyk oraz kwazary. Strumienie materii spadającej do środka rozgrzewają się do ogromnych temperatur, a część energii zostaje wyrzucona w postaci potężnych dżetów. Tego typu zjawiska mogą regulować tempo powstawania gwiazd w całej galaktyce, ogrzewając lub usuwając gaz, z którego mogłyby się one rodzić.

Gdzie w tej hierarchii jest człowiek?

Ziemia krąży wokół przeciętnej gwiazdy – Słońca – leżącej w jednym z ramion Drogi Mlecznej. Nasza galaktyka jest częścią Grupy Lokalnej, ta mieści się w Supergromadzie Lokalnej, a ta z kolei stanowi fragment Supergromady Laniakea, będącej elementem kosmicznej sieci rozciągającej się na miliardy lat świetlnych. Skala, w której funkcjonujemy na co dzień, to zaledwie cienka warstwa na powierzchni planety w jednym z niezliczonych układów gwiazdowych.

W tym samym czasie materia, z której jesteś zbudowany, ma zupełnie inne pochodzenie. Jak przypomina Piotr Kołaczek‑Szymański z Polskiego Towarzystwa Astronomicznego, pierwiastki w naszym ciele powstały w sercach dawnych gwiazd. Węgiel, azot i tlen tworzą się w procesach zachodzących w gwiazdach podobnych do Słońca, które pod koniec życia zrzucają zewnętrzne warstwy, pozostawiając białego karła otoczonego chmurą gazu.

Śmierć gwiazd a pierwiastki w naszym ciele

Masywniejsze gwiazdy kończą życie jeszcze gwałtowniej. Stają się czerwonymi nadolbrzymami, a w ich wnętrzach zachodzi spalanie coraz cięższych pierwiastków aż do żelaza. W pewnej chwili jądro staje się tak gęste, że elektrony wciskają się w protony, zamieniając je w neutrony. Rozpoczyna się neutronizacja materii, prowadząca do powstania gwiazdy neutronowej.

Gdy jądro odbija się od zapadających warstw, powstaje potężna fala uderzeniowa. Taka eksplozja supernowej rozgrzewa materię do ekstremalnych temperatur i w krótkim czasie tworzy znaczną część układu okresowego. W wyniku łączenia się dwóch gwiazd neutronowych mogą powstawać jeszcze cięższe pierwiastki, jak złoto i srebro. Gaz wzbogacony w ciężkie pierwiastki wraca do przestrzeni międzygwiazdowej i zasila kolejne pokolenia gwiazd oraz planet.

Każdy atom węgla, tlenu i azotu w ludzkim ciele był kiedyś częścią wnętrza gwiazdy.

Jak astronomowie badają tak ogromne struktury?

Aby móc zbudować obraz Wszechświata od skali gwiazdy po supergromady, naukowcy korzystają z całego zestawu instrumentów i metod. W skali galaktyk i ich hal ogromną rolę odgrywają teleskopy optyczne i spektrografy, takie jak wspomniany KCWI. Dają one tysiące widm w jednym kadrze, co pozwala zmierzyć prędkości gazu, jego temperaturę i skład chemiczny.

W skali kosmicznej sieci używa się dużych przeglądów nieba, w których rejestruje się położenie i przesunięcie ku czerwieni milionów galaktyk. Z takich katalogów powstają trójwymiarowe mapy, odsłaniające włókna, ściany i pustki. Dodatkowo obserwacje w promieniach X, radiowych i mikrofalowych uzupełniają obraz o gorący gaz, reliktywne cząstki i strukturę promieniowania tła.

Razem tworzy to spójny, choć wciąż niepełny, obraz hierarchii kosmicznej: od małej planety, przez galaktyki, gromady, supergromady, aż po kosmiczną sieć, która rozciąga się na miliardy lat świetlnych i nadaje kształt obserwowanemu Wszechświatowi.

Żeby uporządkować skalę tych struktur, warto spojrzeć na prostą tabelę porównawczą:

W tej skali nasza planeta jest zaledwie drobiną pyłu, ale drobiną złożoną z materii, która przeszła długą drogę przez wnętrza gwiazd, galaktyk i większych struktur Wszechświata.