Mūsų Galaktika, Paukščių Takas, neatsirado visa vienu metu. Seniausios žvaigždės randamos arti centro ir retame hale; disko žvaigždžių amžius, tolstant nuo centro, mažėja. Taigi atrodo, kad Paukščių Takas formavosi iš vidaus į išorę. Šiuo metu čia vis dar gimsta naujos žvaigždės, bet jei šis procesas kada sustos visiškai, nurimimas irgi greičiausiai vyks iš vidaus į išorę; bent jau taip sako žinios, kurias turime apie kitas galaktikas. Galaktikų evoliucija iš vidaus į išorę, judanti tarsi labai lėtos bangos, paaiškina ne tik pačių galaktikų atsiradimą ir vystymąsi, bet ir bendrą žvaigždžių formavimosi raidą Visatoje. Kartu šis pasakojimas turi ir labai svarbią laiko dimensiją, netgi dvi: jis apima milijardus metų galaktikų raidos beveik nuo Didžiojo sprogimo iki tolimos ateities; taip pat tai yra sritis, kurioje mūsų žinios ir supratimas reikšmingai keičiasi netgi šiuo metu: James Webb teleskopas paneigė, apvertė ar pakeitė ankstesnes astronomų mintis apie daugelį galaktikų evoliucijos aspektų, ir neabejotinai panašių sukrėtimų mūsų dar laukia.

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti reguliarios paramos, kviečiu prie jų prisijungti.

Galaktikos atsiranda, kai nedideli medžiagos – tamsiosios ir įprastos sutankėjimai pirmykštėje Visatoje ima trauktis ir prisitraukinėti naują medžiagą. Apie šiuos procesus esu rašęs seniau: tiek bendrai apie galaktikų atsiradimą, tiek specifiškai apie dujų judėjimą nuo tarpgalaktinės erdvės iki galaktikų centrų. Abu tekstai jau senoki; pagrindinės juose išdėstytos idėjos išlieka teisingos ir šiandien, bet daugybė detalių pasikeitė. Ypač pakito mūsų supratimas apie tai, kas vyksta, kai dujos patenka į galaktiką.

Jaunoje Visatoje dujos į galaktikas krito kaip liūtis, bent jau lyginant su šiandiena. Bendras srautų sukimasis sudarė sąlygas formuotis diskams, tačiau jie visai nepriminė šiandieninių didingų struktūrų, kokias matome Andromedoje ar kitose kaimyninėse spiralėse. Dujų pilni ir nuolat pildomi diskai buvo ypatingai turbulentiški ir ypatingai nestabilūs: juose dažnai formavosi šimtų milijonų ar net milijardų Saulės masių gumulai, kurie tapo kone seniausių žvaigždžių lopšiais. Šio modelio, vadinamo Audringu disko nestabilumu (angl. Violent disc instability), piešiamas scenarijus konceptualiai gana paprastas: dujų srautai daugiausiai maitina išorines galaktikų dalis, o milžiniški gumulai susiformavę santykinai sparčiai migruoja į centrą, kur susijungia ir suformuoja centrinį telkinį, arba baldžą – dažną diskinių galaktikų komponentą. Migracijai pakanka vos kelių šimtų milijonų metų. Kartu šie dujų srautai maitina ir centrines supermasyvias juodąsias skyles, taip galbūt padėdami joms išaugti iki milijardų Saulės masių per kelis šimtus milijonų metų. Dujų srautams po truputį lėtėjant, milžiniški gumulai formuojasi lėčiau, migracija tampa nebeefektyvi, ir diskas ima augti vis toliau į kraštus. Augimas iš vidaus į išorę yra vieno proceso, vykstančio kintamomis didelio masto sąlygomis, pasekmė, pasireiškianti nuo pimųjų šimtų milijonų Visatos gyvavimo metų.

Audringo nestabilumo idėja nėra labai nauja – siekia apie porą dešimtmečių. Tačiau ilgą laiką, įskaitant tada, kai rašiau ankstesnius tekstus apie galaktikų evoliuciją, ji buvo laikoma gana egzotišku scenarijumi, kuris aktualus tik kai kurioms galaktikoms jaunoje Visatoje. James Webb teleskopu masyvūs gumulai aptinkami kone kiekvienoje ankstyvos Visatos galaktikoje, o jų savybės gerai atitinka aukščiau aprašyto teorinio scenarijaus prognozes. Webb’as apskritai pakeitė supratimą apie ankstyvų galaktikų formas: seniau buvo manoma, kad dauguma jų turėtų būti labai netvarkingos, sudarytos iš padrikai lakstančių gumulų, tačiau Webb’as atskleidė daugybę tvarkingai besisukančių diskų, tolimiausi jų randami vos 700 milijonų metų amžiaus Visatoje. Nors tvarkinga disko išvaizda gali atrodyti sunkiai suderinama su audringu nestabilumu, iš tiesų diskų egzistavimas kaip tik palaiko šį scenarijų, nors ir ne visai tiesiogiai. Jau kurį laiką žinoma, kad stabilūs diskai egzistuoja tik galaktikose, kurių bendra žvaigždžių masė viršija tam tikrą ribą, maždaug milijardą Saulės masių. Audringas nestabilumas padeda galaktikoms užaugti, kad galėtų išlaikyti masyvius diskus. Be to, diskų – nebūtinai ilgaamžių – egzistavimas reikalingas nestabilumui, nes be disko sukimosi neįmanoma masyvių gumulų migracija. 

Disko augimas iš centro į kraštus palieka pėdsaką kiekvienoje galaktikoje. Centre žvaigždės formuojasi anksčiausiai, greičiausiai miršta ir praturtina aplinką metalais – už helį sunkesniais elementais. Vėlesnės žvaigždžių kartos gimsta iš praturtintų dujų, tad jose ir matome daugiau metalų. Tuo tarpu disko pakraštyje, kur žvaigždėdara prasidėjo vėliau ir vyko lėčiau, mažiau yra ir metalų. Praeitame pažintiniame straipsnyje rašiau, kaip būtent tokie cheminės sudėties skirtumai padeda datuoti žvaigždes ir atkurti visos Galaktikos istoriją; lygiai tokia pati analizė rodo ir radialinį – iš vidaus į išorę – metalų kiekio gradientą, kuris patvirtina šį pasakojimą. Įdomu, kad gradientas skiriasi skirtingo amžiaus žvaigždėms: jauniausiose žvaigždėse, tolstant nuo centro, metalų gausa mažėja apie dvigubai sparčiau, nei seniausiose. Kitaip tariant, arčiau Galaktikos centro žvaigždžių metalingumas su amžiumi didėjo sparčiau, nei pakraščiuose – būtent dėl to, kad prie centro žvaigždėdara vyko greičiau, spėjo pasikeisti daugiau žvaigždžių kartų, tad ir metalingumas iki šių dienų išaugo daugiau.

Kokia situacija kitose galaktikose? Skaitmeniniai modeliai prognozuoja, kad jaunose galaktikose gradientai turėtų būti statesni, nes centre žvaigždėdara jau vyksta ir spėjo pasikeisti ne viena žvaigždžių karta, o pakraščiuose praktiškai dar niekas nesiformavo. Galaktikoms senstant, gradientai turėtų darytis vis mažesni, tiek dėl kintančio žvaigždėdaros pasiskirstymo, tiek dėl dviejų kitų procesų, kurie padidina metalingumą išorinėse galaktikų srityse: radialinio žvaigždžių migravimo ir Galaktinio fontano, kai įvairūs energingi procesai išmeta dujas iš disko ir sudaro sąlygas joms nutolti nuo galaktikos centro prieš nusėdant atgal (apie šį reiškinį irgi rašiau seniau). Realybė nuo modelių, pasirodo, skiriasi gana stipriai: pavyzdžiui, naujausi Webb’u gauti duomenys rodo, kad jaunoje Visatoje galaktikos buvo labai įvairios. Kai kuriose, kaip ir buvo tikėtasi, matyti aiškūs neigiami metalingumo gradientai. Tačiau kitose, priešingai, gradientai yra labai silpni arba nepastebimi išvis. Tai gali reikšti, kad kai kuriose galaktikose metalais praturtintos dujos buvo maišomos labai sparčiai ir efektyviai. Kokie procesai tą darė? Kodėl tik kai kuriose galaktikose? Ar taip vyko tik Visatos jaunystėje, ar ir vėliau? Atsakymų į šiuos klausimus vis dar neturime. Atsakyti į juos gali padėti ir Paukščių Takas, nes mūsų Galaktikos storasis – senesnis – diskas irgi neturi neigiamo metalingumo gradienio. Tai gali reikšti, kad Paukščių Takas jaunystėje, kai formavosi storasis diskas, vystėsi panašiai kaip ir tos netikėtos James Webb atrastos išsimaišiusios galaktikos.

Dujų kritimas į galaktikas pirmuosius kelis milijardus metų spartėjo. Kartu spartėjo ir žvaigždėdara, o maždaug 3,5 milijardo metų amžiaus Visatoje pasiekė maksimumą. Šis laikotarpis vadinamas Kosminiu vidurdieniu. Vėliau žvaigždėdara ėmė lėtėti, o per 10 milijardų metų iki šių dienų sulėtėjo apie 10 kartų. Įdomu, kad Kosminis vidurdienis matomas ir tuose pačiuose metalingumo gradientuose: jaunoje Visatoje galaktikų pakraščiai dažniau būdavo gerokai mažiau metalingi, nei centrai, Vidurdienį pakraščių ir centro metalingumas daug kur išsilygino, o vėliau centrai vėl tapo labiau metalingi. Tai greičiausiai yra kelių procesų tarpusavio sąveikos padarinys. Jau minėtas dujų maišymasis efektyviai sklaidė dujas pirmus kelis milijardus metų, o vėliau maišymasis stipriai sulėtėjo ir žvaigždžių metalingumo kitimas priklausė tik nuo vietinių savybių – spartesnė kartų kaita centrinėse dalyse metalingumą ten pakėlė labiau, nei pakraščiuose.

Greitesnis vystymasis centrinėje galaktikos dalyje greičiau suvartoja ir ten esančias dujas. Be to, centre kartais įsijungia aktyvus branduolys, kuris gali išstumti dujas į šalis, o visa galaktikos struktūra gali stabilizuotis taip, kad naujai į ją patenkančios dujos nustoja migruoti į centrą. Kuris reiškinys svarbiausias, kol kas nežinome, bet jie visi centrą paveikia labiau ir sparčiau. Taigi žvaigždėdara galaktikos centre ima gęsti anksčiau, nei pakraščiuose. Galaktikos, kaip ir gimė, taip ir miršta iš vidaus į išorę. Aiškiausiai ši tendencija pasireiškė Kosminio vidurdienio laikotarpiu: ankstesniu laiku dar labai nedaug galaktikų yra nurimusios, o šiandieninėje Visatoje, priešingai, nedaug likę efektyviai žvaigždes formuojančių. Išskirti Vidurdienio galaktikų diskus nelengva – atstumas tarp Saulės ir Paukščių Tako centro tokiu nuotoliu tilptų į vieną lanko sekundę, apie 1800 kartų mažiau už Mėnulio pilnatį. Visgi šiuolaikiniai teleskopai gali pasiekti ir dešimt kartų geresnę skyrą, o 2019 metais pirmoje galaktikoje aiškiai parodytas skirtumas tarp lėtos žvaigždėdaros centre ir spartesnės pakraščiuose. Kaip ir galima tikėtis, Webb’as pažėrė daugybę atradimų: nurimusių galaktkų cheminė analizė parodė, kad centruose žvaigždės senesnės, taigi žvaigždėdara nurimo anksčiau, nei pakraščiuose, o Voratinklio spiečiuje, susidedančiame iš daugiau nei šimto žinomų galaktikų, daugelis jau nurimusių galaktikų pasižymi lėtesne žvaigždėdara centruose nei pakraščiuose.

Pastarasis rezultatas įdomus dar ir tuo, kad spiečiuose galaktikų žvaigždėdara gali sustoti ir dėl kitokių procesų. Pavyzdžiui, judėdama kelių šimtų ar net tūkstančio kilometrų per sekundę greičiu galaktika jaučia stiprų tarpgalaktinių dujų pasipriešinimą. Toks vėjas gali nuplėšti dujas nuo galaktikos pakraščių – taip atsiranda “medūziškos” galaktikos, kurias esu aprašęs seniau. Taip pat galaktikos pakraščius gali nuplėšti ir aplinkinių didesnių galaktikų gravitacija, suformuodama žvaigždžių ir dujų srautus. Abiem atvejais žvaigždėdara pirmiausia užgęsta pakraščiuose, taigi galaktika nurimsta iš išorės į vidų. Faktas, kad dauguma protospiečiaus galaktikų visgi rimsta iš vidaus į išorę tik patvirtina, kad būtent ši raidos tendencija yra tipinė, o suardymai nuo išorės – reti ir katastrofiški įvykiai.

Galaktikų fizika – jau šimtą metų skaičiuojanti astrofizikos šaka. Galaktikų evoliucijos tyrimai prasidėjo gerokai vėliau, praktiškai tik prieš kelis dešimtmečius, su Hubble’u ir kitais prietaisais, kurie leido pažvelgti į dešimties milijardų metų praeitį ir senesnius laikus. Bet šio laiko akivaizdžiai neužteko išsiaiškinti net ir kai kurių esminių klausimų, ir tik James Webb teleskopas padeda į dalį jų atsakyti. Neabejoju, kad jo atradimai apvers dar ne vieną nusistovėjusią paradigmą, tiek galaktikų evoliucijos, tiek kitose srityse, kurias jis tik pajudins.

Laiqualasse