A Kavli Alapítvány, a Norvég Oktatási és Kutatási Minisztérium és a Norvég Tudományos Akadémia által alapított díjat kétévente ítélik oda azoknak a kutatóknak, akik kiemelkedő eredményeket értek el az asztrofizika, a nanotechnológia vagy a neurológia területén. Idén az asztrofizikai díjjal azon kutatásokat ismerték el, amelyek felfedték annak ősi nyomait, hogy a Tejútrendszer sorozatos anyagbefogások, úgynevezett hierarchikus akkréciós folyamatok során fejlődött a ma ismert állapotába. A díjazottak Vaszilij Belokurov (Cambrige-i Egyetem), Amina Helmi (Groningeni Egyetem) és Rodrigo Ibata (Strasbourgi Egyetem).
A három díjazott kutató alapvetően változtatta meg azt a képet, ahogyan a hatalmas galaxisoknak az univerzum történetén átívelő fejlődését értelmezzük. A galaxisok kialakulásának hierarchikus modellje szerint azok úgy növekednek, hogy a környező galaxisközi térből számos kisebb rendszert elnyelnek. A kitüntetettek egyértelmű megfigyelési bizonyítékokkal támasztották alá, hogy valóban bekövetkeztek ilyen nagy léptékű összeolvadási események, és hogy ezek nyomai még ma, több milliárd évvel később is kimutathatók a Tejútrendszerben.
A Sloan Digital Sky Survey-hez (SDSS) és a Gaia küldetéshez hasonló égboltfelmérésekből származó hatalmas adatbázisok több milliárd csillag háromdimenziós helyzetét, szintén háromdimenziós sebességét és kémiai összetételét tartalmazzák. Ezeket az adathalmazokat innovatív elemzési módszerekkel és szimulációkkal ötvözve a három díjazott feltárta, hogy galaxisunk ‒ ahogyan ma ismerjük azt ‒ ismétlődő, drámai és heves kozmikus ütközések eredményeként jött létre. Számos egyedi csillagáramlatot és haló-alszerkezetet fedeztek fel, amelyek egy-egy nagy akkréciós eseményre vezethetők vissza, feltárva egy komplex kialakulási történetet, amely messze túlmutat a sima, folyamatos akkréció egyszerű forgatókönyvén.
Vaszilij Belokurov rámutatott az ultrahalvány törpegalaxisok jelentőségére a Tejútrendszer akkréciós történetében. Átfogó képet vázolt fel a Galaxis akkréciós történetéről (ez az úgynevezett „áramlatmező”, angolul „field of streams”), amelynek mélyreható következményei vannak a sötét anyag eloszlására nézve. Belokurov és Helmi egymástól függetlenül azonosították a legutóbbi jelentős összeolvadási esemény, egy törpegalaxissal történt ütközés maradványát, a Gaia-Enceladus Sausage-t. Belokurov hangsúlyozta annak erősen radiális pályáit és meghatározó szerepét a helyi haló kialakulásában.
Amina Helmi csillagáramlatokat azonosított, amelyek ősi, elnyelt törpegalaxisok maradványai, bizonyítva, hogy a régi összeolvadások nyomai még ma is fellelhetők a helyi halócsillagok eloszlásában. Kimutatta, hogy az úgynevezett Gaia-Enceladus Sausage akkréciós esemény szolgáltatta a belső halócsillagok jelentős részét, és 8-11 milliárd évvel ezelőtt valószínűleg ez fűtötte a korai korongot. Helmi kutatásaiban a kemodinamikát alkalmazza: a részletes kémiai összetételt ötvözi a kinematikával, hogy megkülönböztesse a helyben kialakult csillagokat az akkrécióval befogott csillagoktól.
A Rodrigo Ibata által felfedezett Sagittarius szferoidális törpegalaxis (Sagittarius Dwarf Spheroidal Galaxy) volt az első egyértelmű megfigyelési bizonyíték arra, hogy a Tejútrendszer még mindig nyel el kísérőgalaxisokat. A Sagittarius csillagáramlat későbbi feltérképezése, valamint az Andromeda-galaxis halója összetett alszerkezetének és aszimmetriájának azonosítása kulcsfontosságú szerepet játszott a két galaxis körüli komplex törmelékmezők megértésében, amelyek még ma is kihívást jelentenek a galaktikus léptékű szerkezetfejlődési elméleteink számára.
A galaxisok növekedésének feltérképezése rejtett összeolvadások nyomai alapján
Ahogyan az őslénytanban a fosszíliák segítségével rekonstruálják a földi élet történetét, úgy keresik a csillagászok is az éjszakai égbolton rejtőző nyomokat, hogy megértsék, hogyan fejlődött a Tejútrendszer az idők folyamán. Az idei Kavli-díj asztrofizika kategóriájának három kitüntetettje ‒ Vaszilij Belokurov, Amina Helmi és Rodrigo Ibata – a csillagok pozíciójának, sebességének és kémiai összetételének rendkívül pontos méréseit felhasználva, valamint számítógépes modellezést alkalmazva megállapította, hogy a Tejútrendszer mintegy 13 milliárd éves története során a környező kisebb galaxisokkal történő összeolvadás, azaz azok anyagának elnyelése révén növekedett.
A földi és űrtávcsövek egyre kifinomultabb hálózata lehetővé tette a csillagászok számára, hogy egyre pontosabban mérjék meg a csillagok pozícióit az égen. Az ilyen megfigyelések különböző időpontokban történő elvégzésével kiszámíthatják a csillagok érintő irányú sebességét az éggömbön, majd ezeket az eredményeket összekapcsolva az objektumok vörös- vagy kékeltolódásának mérésével – tehát azzal, hogy színképvonalaik mennyire tolódnak el a hosszabb vagy rövidebb hullámhosszak felé, amint távolodnak a Földtől vagy közelednek hozzá – a kutatók térbeli pályákat rajzolhatnak fel, és így azonosíthatják azokat a csillagcsoportokat, amelyek egymással összhangban mozgónak tűnnek.
Galaxisunk sok milliárd csillaga közül kiválogatva ezeket a csillagokat, az idei díjazottak megerősítették a galaxisok kialakulásának hierarchikus modelljét ‒ azt a folyamatot, amelynek során a ma hatalmas, ám kezdetben meglehetősen kicsi galaxisok azáltal növekedtek fokozatosan, hogy összeolvadtak a környezetükben lévő más galaxisokkal. A szóban forgó csillagok a múltbeli egyesülések maradványaiként vagy maguk is törpegalaxisokat alkotnak, vagy még inkább az égbolton átívelő „csillagáramlatok” formájában figyelhetők meg: ezek akkor dobódtak ki egykori gazdagalaxisukból, amikor a Tejútrendszer elnyelte azokat.
1994-ben Rodrigo Ibata és munkatársai szolgáltatták az első egyértelmű bizonyítékot arra, hogy az ilyen összeolvadások ma is zajlanak, amikor felfedeztek egy nagy törpegalaxist a Sagittarius csillagkép irányában, amelyet éppen elnyel a Tejútrendszer. Ez a kiterjedt, együtt mozgó csillagcsoport közelebb volt saját galaxisunkhoz, mint bármelyik korábban felfedezett kísérőgalaxis, de mivel a galaktikus centrum túloldalán van, az előterében található hatalmas számú csillag, illetve óriási mennyiségű por és gáz eltakarta előlünk.
Az ezt követő években Ibata detektálta azt a várható árapályáramlatot, amely akkor keletkezik, amikor a Sagittarius törpegalaxist a Tejútrendszer az évmilliárdokon át tartó folyamat során szétszaggatja. Ezt a csillagáramlatot az SDSS adatai alapján azonosította egy hatalmas, szénben gazdag csillagokból álló sáv formájában, amely szinte poláris trajektória mentén öleli körül a Tejútrendszert. A sáv a törpegalaxis előre jelzett pályáját követi a galaktikus halón, a Galaxis spirális korongját gömb alakban körülvevő hatalmas, ám alacsony sűrűségű térrészen keresztül.
Amint az SDSS-felmérésből egyre több adat látott napvilágot, a csillagászok pontosítani tudták a Sagittarius és más törpegalaxisokból, valamint a gömbhalmazokból származó csillagáramlatokról alkotott képünket. 2006-ban Vaszilij Belokurov és kollégái feltárták, hogy a Sagittarius csillagáramlat bonyolultabb, mint korábban gondolták, és kimutatták, hogy hatalmas íve két, de lehet, hogy három különböző ágból áll. Belokurov rájött arra is, hogy az újonnan feltérképezett csillagnyomok hálózata, az úgynevezett „áramlatmező” hatással van a sötét anyag galaxisok kialakulásában betöltött szerepének értékelésére is.
A sötét anyag még ma is ismeretlen szubsztancia, amelyről a kutatók úgy vélik, hogy az alkotta azokat a gravitációs magokat, amelyek körül a gáz összesűrűsödött, létrehozva így a galaxisok magjait. Belokurov és munkatársai rámutattak, hogy a Sagittarius áramlat komoly kihívást jelent a Tejútrendszer sötétanyag-halójára vonatkozó egyszerű modellek számára. Az ESA Gaia űrobszervatóriumának legfrissebb adatai segítettek megoldani ezt a rejtélyt azáltal, hogy az áramlat szokatlan viselkedését a Tejútrendszer hatalmas kísérőgalaxisa, a Nagy-Magellán-felhő hatásának tulajdonították.
Több mint egy évtizeddel később Belokurov elemezte az SDSS és a Gaia által a belső halóról rögzített megfigyeléseket, hogy bizonyítékot találjon a Tejútrendszer történetének legnagyobb összeolvadására, amely a vicces Gaia-Enceladus Sausage (Gaia-Enceladus kolbász) elnevezést kapta. A „kolbász” kifejezés arra az alakzatra utal, amely kétezernél is több fémben gazdag csillag azimutális sebességének a radiális sebessége függvényében történt ábrázolása után rajzolódott ki. Belokurov rájött, hogy a sebességtérben megfigyelt kolbász alakú eloszlás – amely arra utal, hogy sok halócsillag nagyon elnyúlt, már-már tűszerű pályán mozog – egyszerűen nem lehet több kisebb összeolvadás eredménye. Figyelembe véve a csillagok kémiai összetételét is, arra a következtetésre jutott, hogy a megfigyelések inkább egyetlen, hatalmas, ősi ütközésre utalnak.
Közben ettől függetlenül Amina Helmi és munkatársai a Gaia második adatközlését felhasználva megállapították, hogy a közeli halóban található számos csillag ellentétes irányban kering a korongot alkotó csillagok pályáihoz képest. Azt is észrevették, hogy ezek a csillagok koruk és fémtartalmuk tekintetében egy elkülönülő populációt alkotnak. Miután elemezték az SDSS APOGEE spektroszkópiai felmérésének adatait is, és megállapították, hogy a retrográd irányban mozgó csillagok kémiai tulajdonságai eltérőek, arra a következtetésre jutottak, hogy ezek – a haló jelentős részét kitevő – csillagok egy külső galaxisban keletkeztek.
Helmi és csapata az ütköző galaxisnak a Gaia-Enceladus nevet adta. Enceladus a görög mitológia óriása, aki a Föld (Gaia) és az ég fia volt, és akiről azt tartották, hogy a földrengéseket okozza. A kémiai adatok alapján becslése szerint az összeolvadás idején – körülbelül 10 milliárd évvel ezelőtt – a Gaia-Enceladus teljes tömege a Tejútrendszer tömegének mintegy negyede lehetett. A saját és mások korábbi munkái alapján rájött arra is, hogy ezen galaxisok heves ütközése nemcsak a belső halót hozta létre, hanem fel is kavarta annak elődobjektumát, amit ma a Galaxis vastag korongjaként látunk.
Forrás:
