Gromada kulista. W Galaktyce są ich setki, a wciąż nie wiemy skąd się wszystkie wzięły

Zdjęcia głębokiego kosmosu, szczególnie te, które przyciągają nasza uwagę, to przede wszystkim obrazy galaktyk o niezwykłych kształtach, różnokolorowych mgławic. Zdjęcia pojedynczych gwiazd, o ile nie są to obrazy ich powierzchni, nie są zazwyczaj czymś niezwykłym, nawet jeśli te gwiazdy są obecne na fotografiach w liczbach idących w setki tysięcy czy nawet miliony. Owszem i w nich można dopatrzeć się piękna i nieskończoności kosmosu, ale dopiero wyróżniające się od otoczenia gromady takich gwiazd przyciągają naszą uwagę.

Znane chyba każdemu miłośnikowi astronomii gromady otwarte gwiazd, dobrze widoczne gołym okiem zimą w gwiazdozbiorze Byka (Plejady / M45) i Raka (Żłóbek / M44).

Mogą to być gromady otwarte lub im podobne dość luźne skupiska gwiazd, których geneza jest nam dość dobrze znana. Powstały one z obłoków materii tak jak inne gwiazdy, często są jeszcze w nich zanurzone i wypełnione obiektami na tyle jeszcze młodymi, że nie zdążyły rozprzestrzenić się na większe odległości. Wiele z tworzących je gwiazd jest też na tyle masywnych, że dość szybko kończą one swój żywot jako normalna gwiazda. W gromadach otwartych liczba gwiazd nie przekracza tysiąca, a zwykle jest sporo mniejsza.

Gromady kuliste. Skąd taka nazwa dla tych skupisk gwiazd?

Przeciwieństwem gromad otwartych są gromady kuliste, których nazwa wskazuje na ich charakter. To sferyczne skupiska gwiazd, zwykle już bardzo starych, o bardzo dużej ich gęstości w porównaniu z otoczeniem, która rośnie w miarę zbliżania się do centrum takiej gromady, osiągając tam wartość nawet 100 czy 1000 gwiazd na parsek sześcienny. To co najmniej kilkaset razy więcej niż w przeciętnej gromadzie otwartej, w której z kolei gęstość gwiazd jest nawet kilka razy większa niż w okolicy Słońca.

Gromada kulista widziana w całości i zbliżenie na jej centralną część.

Gromady kuliste mogą mieć do nawet 300 lat świetlnych średnicy i zawierać od dziesiątek tysięcy do nawet 10 milionów gwiazd. Choć w większości mniej masywnych od Słońca, przez co ilościowo masa przeciętnej gromady kulistej to mniej więcej 100 tysięcy mas Słońca. Największa w Galaktyce gromada Omega Centauri waży około 4 milionów mas Słońca, co oznacza, że średnia masa gwiazdy w tej gromadzie to około 0,4 masy Słońca.

Przykłady różnych gromad kulistych.

Gwiazdy w gromadach kulistych są tak gęsto upakowane, że panujące tam warunki można porównać z tymi w ścisłych centrach galaktyk. A niebo na hipotetycznej planecie krążącej wokół jednej z gwiazd w gromadzie kulistej byłoby dość jasne nawet nocą, wielokrotnie jaśniejsze niż podczas pełni Księżyca. Jednak nie wszędzie w takiej gromadzie panowałby ogromny blask. W zewnętrznych częściach gromad, nawet gęsto upakowane gwiazdy nie zapewniłyby nocą na hipotetycznej planecie, aż tak dużej jasności jak nasze Słońce za dnia. To oczywiście uległoby zmianie wraz ze zbliżaniem się do centrum gromady, gdzie gęstość gwiazd lawinowo rośnie, ale tez istnienie stabilnych układów planetarnych w takich miejscach jest mało prawdopodobne.

Dlaczego gromady kuliste są tak wdzięcznymi obiektami do zdjęć?

Tym co czyni gromady kuliste pięknymi obiektami na zdjęciach to właśnie ich obfitość w gwiazdy, często należące do różnych populacji, w różnym wieku, przez co czyniące gromadę kolorową, czasem przypominającą na zdjeciach iskrzące się odblaski Słońca na wodzie, czy mieniące w silnym świetle drobiny kamieni szlachetnych.

Gromada kulista Terzan 5, prawdopodobnie pozostałość po skonsumowanej przez Drogę Mleczną galaktyce karłowatej. Jasne gwiazdy na zdjęciu to oczywiście obiekty z pierwszego planu, które nie należą do tej gromady.

Wystarczy obejrzeć załączone zdjęcia, by zrozumieć w czym rzecz. Kiedyś gromady kuliste, które można dojrzeć gołym okiem mylono z pojedynczymi gwiazdami. W czasach astronomii teleskopowej zrozumieliśmy, że ich natura jest inna. A dzięki nowoczesnym teleskopom, szczególnie tym orbitalnym jak Hubble czy Webb, jesteśmy w stanie zaglądać coraz bardziej do ich wnętrza.

Naziemne obserwacje bardzo zyskują dzięki technologii optyki adaptatywnej. Na zdjęciu powyżej widać jak wygląda centrum jednej z gromad kulistych (po lewej) przy tradycyjnej technice rejestracji obrazu (środek) i z zastosowaniem optyki adaptatywnej (po prawej).

Tym co sprawia, że gromady kuliste wciąż nie nudzą się astronomom jest ich geneza. Wciąż nie wiemy bowiem dokładnie skąd wzięły się na przestrzeni historii. Owszem udaje się nam poznać historię tego, albo innego obiektu, czy nawet ich znaczącej grupy, ale zaraz pojawia się inna gromada kulista, której istnienie można uzasadnić w jeszcze inny sposób.

Liczba gromad kulistych ma związek z rozmiarem galaktyki

W Galaktyce znamy około 150 - 200 gromad kulistych i z pewnością nie jest to liczba ostateczna. W Galaktyce Andromedy ta liczba jest dwukrotnie większa. I na tym nie koniec. Ogromne galaktyki eliptyczne, mogą zawierać tysiące gromad kulistych. Dla przykładu ogromna galaktyka M87 zawiera wedle szacunków ponad 10 tysięcy gromad kulistych. Przypuszcza się, że spora ich cześć to gromady "kradzione".

Wizualizacja naszej galaktyki, jej podstawowych elementów (centralne zgrubienie, poprzeczka, ramiona, halo galaktyczne) oraz rozmieszczenia gromad kulistych, fot: (NASA, ESA, A. Feild / STScI)

Zdjęcie aktywnej galaktyki Centaurus A, która zawiera prawdopodobnie tysiące gromad kulistych. Ich pozycje są zaznaczone okręgami, kolory wyróżniają różne typy tych obiektów.

W galaktykach spiralnych jak nasza, gromady kuliste znaleźć można na mocno wydłużonych orbitach, które znajdują się halo galaktycznym, czyli sferycznej luźnej strukturze wokół Drogi Mlecznej. Część z nich znajduje się nieco bliżej centralnego zgrubienia galaktycznego i to sprawia, że geneza obu tych grup gromad kulistych może być odmienna.

Niektóre z tych znajdujących się w halo mogą być po prostu pozostałościami po mniejszych galaktykach skonsumowanych kiedyś przez Drogę Mleczną. Takie wyjaśnienie w przypadku największej gromady kulistej w Galaktyce, znanej jako Omega Centauri, mogą wspierać obserwacje wskazujące na istnienie w jej centrum supermasywnej czarnej dziury.

Zgrupowanie gwiazd R136 w Wielkim Obłoku Magellana. Tu rodzi się dużo gwiazd, które mogą kiedyś ukształtować gromadę gwiazd.

Reszta gromad w halo galaktycznych, a także te położone bliżej centralnej części dysku galaktycznego (galaktyczne zgrubienie) mogły powstać w bardziej klasyczny sposób z rozległych i gęstych chmur materii. Nie ma jednak tu reguły, gdyż orbity gromad kulistych bywają skomplikowane i nie pasują do jednego wzorca.

Gromady kuliste są bardzo stare. Prawie tak jak Wszechświat. Ale nie wszystkie

Gromady kuliste wbrew potocznemu przekonaniu, które być może wynieśliście ze szkoły, nie są obiektami o ściśle określonym wieku. Kiedyś co prawda uważano, że gromady kuliste to najstarsze struktury w Galaktyce jak i Wszechświecie, złożone są wyłącznie z bardzo starych gwiazd o zbliżonym wieku.

Z czasem obserwacje pokazały, że wiek gwiazd w gromadach kulistych może być bardzo zróżnicowany i wcale nie musi być porównywany z wiekiem Wszechświata. Może być znacznie mniejszy, a gwiazdy mogą mieć różną metaliczność, czyli pochodzić z różnych etapów historii kosmosu. Mimo to poprawnym wydaje się założenie, że większość takich klasycznych gromad kulistych, szczególnie tych z gwiazdami bardzo starymi, powstać mogło tylko w dawnych czasach, gdy gęstość materii międzygwiazdowej była większa niż jest obecnie.

Natomiast różne kosmiczne „przygody” na przestrzeni miliardów lat, doprowadzić mogły do zróżnicowania wieku tworzących je gwiazd. A nawet do zmniejszenia masy gromady, na przykład poprzez odarcie jej z gwiazd w wyniku oddziaływania grawitacyjnego w sytuacji, gdy gromada ma taką orbitę, że zbliża się czasem znacząco do masywnego centrum galaktyki.

Niezależnie od tego jak powstały gromady kuliste, są one bardzo interesującym zbiorem gwiazd. To w nich na stosunkowo niewielkiej przestrzeni znajdziemy zarówno mocno odewaluowane obiekty, w tym liczne białe karły, jak i gwiazdy wciąż na głównej ścieżce swojej ewolucji, ale są też jednymi z najstarszych w kosmosie. Wiek gromad kulistych, który można określić poprzez analizę diagramu Hertzsprunga-Russella, pomocny jest w ocenie wieku zawierających je większych struktur (galaktyk, a nawet Wszechświata).

Żródło: inf. własna, fot. wejściowe: gromada NGC 6355 / Hubble