Droga Mleczna i galaktyki Grupy Lokalnej tworzą kosmiczne prześcieradło. Nowe analizy na miarę Nagrody Nobla

Dlaczego bliskie nam galaktyki oddalają się od Drogi Mlecznej, zamiast być przyciągane jej potężną grawitacją? To pytanie nie daje spokoju astronomom od wielu lat.

Prawo Hubble’a

Wszystko zaczęło się od Edwina Hubble’a, który wykorzystując teleskop Hookera w Mount Wilson Observatory dostrzegł, że im dalej znajduje się jakaś galaktyka, tym szybciej się oddala. Zależność ta znana jest jako prawo Hubble’a i jest jednym z najważniejszych dowodów na rozszerzanie się Wszechświata oraz tego, że rozpoczął się od Wielkiego Wybuchu. Już w czasach Hubble’a astronomowie wiedzieli jednak, że ten schemat nie jest powszechny. Jednym z ważnych wyjątków jest nasza sąsiednia galaktyka Andromedy, która zbliża się do Drogi Mlecznej z prędkością około 100 kilometrów na sekundę.

Ale to generowało kolejną zagwozdkę. Dlaczego większość dużych galaktyk w pobliżu naszej, z wyjątkiem Andromedy, wydaje się oddalać od nas zamiast być przyciągana do środka przez grawitację? Jest to zaskakujące, ponieważ galaktyki te znajdują się w pobliżu Grupy Lokalnej (czyli Drogi Mlecznej, Galaktyki Andromedy i dziesiątek mniejszych galaktyk), której łączna masa powinna wywierać zauważalny wpływ grawitacyjny.

Kosmiczne prześcieradło

Tematowi przyjrzał się zespół badawczy z Instytutu Kapteyna w Groningen, kierowany przez dr. Ewouda Wempe. Korzystając z zaawansowanych symulacji komputerowych badacze odkryli, że materia otaczająca Grupę Lokalną jest ułożona w szeroką i płaską strukturę rozciągającej się na dziesiątki milionów lat świetlnych. Struktura ta obejmuje nie tylko zwykłą materię, ale także niewidzialną ciemną materię otaczającą galaktyki. Nad i pod tą spłaszczoną warstwą znajdują się kosmiczne pustki. Jest to o tyle ciekawe, że – jak wspomnieliśmy wcześniej – od lat 50. ubiegłego wieku powszechnie uznawano, iż nasza Grupa Lokalna jest sferą. Nowe badania burzą ten światopogląd i zmuszają do przemyślenia tego, co w kosmosie wydaje się mam pewne.

Jedyną możliwością realnego przebadania zjawiska była praca na modelach z wykorzystaniem symulacji tworzonych przez superkomputer. Naukowcy rozpoczęli od warunków panujących we wczesnym Wszechświecie. Wykorzystali pomiary mikrofalowego promieniowania tła, aby oszacować, jak materia była rozłożona krótko po Wielkim Wybuchu. Następnie komputer przeprowadził proces ewolucji tego wczesnego Wszechświata w czasie, aż powstał układ odpowiadający dzisiejszej Grupie Lokalnej.

Wirtualny bliźniak

Powstałe symulacje odtwarzają masy, położenia i ruchy Drogi Mlecznej oraz Andromedy, a także pozycje i prędkości 31 galaktyk znajdujących się tuż poza Grupą Lokalną. Ponieważ model tak bardzo przypomina nasze otoczenie kosmiczne, badacze opisują go jako „wirtualnego bliźniaka” naszego środowiska kosmicznego.

– Badamy wszystkie możliwe lokalne konfiguracje wczesnego Wszechświata, które ostatecznie mogły doprowadzić do powstania Grupy Lokalnej. To wspaniałe, że mamy teraz symulację zgodną zarówno z obecnym modelem kosmologicznym, jak i z dynamiką naszego lokalnego otoczenia – skomentował główny autor badania Ewoud Wempe.

Gdy model uwzględnia płaski rozkład materii, otaczające galaktyki oddalają się od nas z prędkościami podobnymi do tych, które rzeczywiście obserwujemy. Mimo grawitacyjnego przyciągania Grupy Lokalnej galaktyki znajdujące się w tej płaszczyźnie są pod wpływem dodatkowej masy rozłożonej w tej samej płaszczyźnie. Ta odległa masa równoważy grawitację Grupy Lokalnej. Tymczasem obszary poza płaszczyzną zawierają bardzo niewiele galaktyk, co wyjaśnia, dlaczego nie obserwujemy obiektów spadających na kosmiczne prześcieradło z tych kierunków.

– Padliśmy ofiarą naszych własnych założeń, że wszechświat jest izotropowy, taki sam w każdym kierunku – komentuje badania dr Paulina Karczmarek z Rolf Chini Cerro Murphy Observatory w Chile, zarządzanego przez Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika PAN. Zdaniem astronomki mamy do czynienia ze strukturą, której nikt się nie spodziewał, a nowe odkrycie mogą diametralnie zmienić nasze postrzeganie kosmosu.

Rozwiązanie było przed naszymi oczami

– Zaawansowane symulacje przeprowadzone przez zespół z Instytutu Kapteyna w Groningen pokazują, że nasza Grupa Lokalna galaktyk: dwie duże galaktyki spiralne, czyli Droga Mleczna oraz Andromeda, a także 31 innych galaktyk dryfuje na rozległej i stosunkowo płaskiej strukturze. Takim kosmicznym naleśniku o średnicy 10 megaparseków i grubości 1.6 megaparseka – mówi Paulina Karczmarek.

Badaczka podkreśla, że rozwiązanie tej zagadki było cały czas przed naszymi oczami. Wszystkie galaktyki karłowate znajdują się w jednej płaszczyźnie z naszą Drogą Mleczną i Andromedą (mają niskie szerokości supergalaktyczne). Jak do tej pory nie odkryliśmy żadnych galaktyk, które znajdowałyby się ponad lub poniżej naszego kosmicznego prześcieradła.

– Jeśli tam są, mają ogromne prędkości i spadają na „prześcieradło” z tych kosmicznych pustek, co pokazuje symulacja. Aby umocnić teorię prześcieradła dobrze byłoby zaobserwować nową galaktykę karłowatą w pustce nad lub pod prześcieradłem. Pustka oznacza dużo mniejszą gęstość tej przestrzeni więc i dużo mniejsze szanse na znalezienie jakiejś masy w postaci galaktyki, ale nie zerowe, więc mamy nadzieję, że to się kiedyś uda – podsumowuje Paulina Karczmarek.

Źródło: Nature Astronomy

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.