Jak badać kształt i właściwości naszej Galaktyki od środka, pozostając jej częścią? Na początku tysiąclecia stało się jasne, że jeśli chcemy zrozumieć strukturę Drogi Mlecznej potrzebujemy precyzyjnych, kompleksowych danych. A tych może dostarczyć tylko dobrze skonstruowane obserwatorium kosmiczne. Właśnie takie zadanie stanęło przed Gaią – obserwatorium kosmicznym Europejskiej Agencji Kosmicznej.

Jak zmapować Drogę Mleczną?

Głównym celem sondy było stworzenie najbardziej precyzyjnej, trójwymiarowej mapy Drogi Mlecznej. W tym celu dokonano gigantycznego przeglądu nieba. Od czasu rozpoczęcia pracy w 2014 roku, satelita zgromadził niezrównany zestaw danych na temat pozycji, odległości i ruchów około 1,5 miliarda gwiazd. Umożliwiło to naukowcom zagłębienie się w przeszłą i obecną strukturę naszej Galaktyki.

Gaia zbiera informacje fotometryczne, spektroskopowe i astrometryczne dotyczące właściwości fizycznych gwiazd, takich jak typ widmowy, temperatura i przesunięcie ku czerwieni. Ale skupia się nie tylko na gwiazdach, lecz także na obiektach takich jak planetoidy, obiekty z Pasa Kuipera, kwazary, supernowe czy planety pozasłoneczne.

– Gaia skanuje całe niebo. Każdy z widocznych dla Gai obiektów został przez jej instrumenty zaobserwowany kilkadziesiąt razy w ciągu kilku lat trwania misji. Pozwala to nie tylko na stworzenie dokładnej mapy Drogi Mlecznej, ale i opisanie każdego z jej elementów. Co więcej, dzięki tym obserwacjom dowiedzieliśmy się też, jak obserwowane obiekty zmieniają się w czasie. Ten dodatkowy wymiar – czas – tworzy z Gai misję absolutnie wyjątkową. Do jej obserwacji sięgać będą kolejne pokolenia astronomów. Już teraz opublikowanie artykułu analizującego jakiekolwiek optyczne dane obserwacyjne bez porównania z wynikami Gai jest niemal niemożliwe – mówi dr Milena Ratajczak. To astronomka z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego. Jej grupa opracowuje dane zebrane przez obserwatorium.

– Gaia bada niemal wszystkie elementy obserwowanego w dziedzinie widzialnej Wszechświata. Od obiektów niewielkich i nam bliskich, jak planetoidy. Przez gwiazdy i znajdującą się między nimi materię międzygwiazdową. Aż po odległe galaktyki – dodaje dr Ratajczak.

Ile waży galaktyka?

W miarę jak Gaia dostarcza coraz więcej danych, nasz obraz Drogi Mlecznej staje się coraz pełniejszy. Nadal istnieje duża niepewność co do całkowitej masy Galaktyki. Szacuje się ją na od kilkuset miliardów do kilku bilionów mas Słońca. Jednak w miarę jak Gaia będzie nadal badać nasz kosmiczny dom i jego składniki, będziemy w stanie lepiej zrozumieć skomplikowane, odległe części Galaktyki.

Naukowcy pracujący przy misji Gaia zmapowali również ogólną strukturę centralnej poprzeczki Drogi Mlecznej i wirujących ramion spiralnych. Pogłębili naszą wiedzę na temat ich długości, nachylenia i asymetrii. A nawet ujawnili, jak doszło do tego, że dysk Drogi Mlecznej jest zniekształcony i asymetryczny. Gaia pomogła wyjaśnić, że to wypaczenie jest spowodowane trwającą kolizją z inną, mniejszą galaktyką. Prawdopodobnie z galaktyką karłowatą Sagittarius, która w przeszłości trzykrotnie przebijała się przez dysk naszej Galaktyki. Sagittarius krąży wokół naszej Galaktyki od 4–5 miliardów lat i powoli rozpada się w trakcie trwającego połączenia z nią.

Gaia i czarne dziury

– Potęgą misji Gaia są jej dane astrometryczne, czyli informacje o zmianie położenia gwiazd w czasie. Za pomocą tych danych dokonano już wielu przełomowych odkryć, wśród których dla mnie chyba najciekawsze są odkrycia czarnych dziur GaiaBH1 i GaiaBH2. Obiekty te są w układzie ze świecącą gwiazdą, której ruch na niebie ujawnił niewidocznego towarzysza. W taki sposób znalezionych zostaną jeszcze setki, a może tysiące czarnych dziur w naszej Galaktyce. Rozwijana przez nas w Warszawie metoda soczewkowania grawitacyjnego również korzysta z danych astrometrycznych, za których pomocą liczymy na wykrycie samotnych czarnych dziur – mówi prof. Łukasz Wyrzykowski z Obserwatorium Astronomicznego UW.

Dodaje, że w tym wypadku również mamy do czynienia ze zmianą położenia gwiazdy na niebie. Jednakże nie jest ono cykliczne jak w przypadku układów podwójnych, tylko jednorazowe.

– Przeczesujemy ogromne zbiory danych misji Gaia w poszukiwaniu tymczasowych pojaśnień, którym towarzyszy przesunięcie gwiazdy. Taki sygnał jest jednak bardzo mały. Dlatego dopiero Gaia jest w stanie go wykryć dla wielu miliardów gwiazd, zwiększając nasze szanse na wykrycie samotnych czarnych dziur – mówi naukowiec. Prof. Wyrzykowski pracował przy misji jeszcze zanim satelita został wystrzelony. Od 2008 współtworzył software do analizy danych zbieranych przez Gaię.

Galaktykożerna Droga Mleczna

Saggitarium nie jest jedyną galaktyką, która wpłynęła na Drogę Mleczną. Wczesna historia naszego kosmicznego domu jest burzliwa. Droga Mleczna zaczęła się formować ponad 13 miliardów lat temu. Z czasem stała się większa i bardziej masywna, łącząc się z innymi galaktykami. Gdy galaktyki są zanurzane w Drodze Mlecznej, ich materia tworzy strumienie gwiazd poruszających się w przestrzeni po różnych trajektoriach. Każdy strumień charakteryzuje się odmiennym składem chemicznym.

Gaia ujawniła to „drzewo genealogiczne” złożone z mniejszych galaktyk, które pomogły uczynić Drogę Mleczną tym, czym jest dzisiaj. Co najważniejsze, Gaia odkryła, że Droga Mleczna połączyła się z jedną galaktyką, nazwaną Gaia-Sausage-Enceladus, na wczesnym etapie jej formowania się. Był to wielki przełom w naszym zrozumieniu historii Galaktyki. Droga Mleczna i Gaia-Sausage-Enceladus połączyły się około 10 miliardów lat temu. Wydarzenie to znacząco ukształtowało kształt i ewolucję naszej Galaktyki od tego czasu.

I ty możesz analizować dane Gai

Gaia wciąż działa i zbiera kolejne dane. Ale wokół niej utworzył się cały ruch skupiający astronomów-amatorów. – W Obserwatorium Astronomicznym UW bierzemy również udział w tworzeniu GaiaVari, czyli serwisu tzw. citizen science. Tysiące użytkowników pomagają w nim klasyfikować gwiazdy zmienne na typy z wykorzystaniem długoletnich obserwacji z misji Gaia – mówi prof. Wyrzykowski.

– Ogrom danych z misji Gaia umożliwia rozwiązywanie zagadek Wszechświata zarówno społeczności profesjonalnych astronomów, jak i miłośnikom astronomii. Projekt badań społecznościowych GaiaVari umożliwia internautom wzięcie aktywnego udziału w klasyfikacji obiektów zmiennych zaobserwowanych przez misję. Dziś każdy może uczestniczyć w odkryciach naukowych, by pomóc w zrozumieniu naszego kosmicznego otoczenia, które wciąż kryje wiele tajemnic – podsumowuje dr Ratajczak.

Pozostaje życzyć Gai wielu kolejnych lat na orbicie!