W gromadzie galaktyk Abell 2218 znajduje się tylko jeden obiekt zawierający duże zasoby wodoru atomowego. Odkrycie to, zaprezentowane na łamach czasopisma “Science”, rzuca więcej światła na ewolucję galaktyk w gęstych gromadach.

Wodór jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie. W swojej najprostszej formie składa się on z jednego protonu i jednego elektronu. W obszarach, gdzie pierwiastek ten znajduje się w dostatecznie wysokiej temperaturze lub oświetlany jest odpowiednim promieniowaniem, możemy obserwować jego linie widmowe, spowodowane przejściem elektronu z jednego stanu energetycznego na drugi.

Zjawiska takie nie występują jednak w przypadku, gdy chmura wodoru znajduje się w bardzo niskiej temperaturze. Wtedy z pomocą przychodzi nam mechanika kwantowa. Okazuje się, że na skutek oddziaływania spinu protonu ze spinem elektronu, podstawowy stan energetyczny atomu wodoru (w którym atom ten znajduje się w niskiej temperaturze) rozszczepia się nieznacznie na dwa podpoziomy.

Przejścia pomiędzy tymi podpoziomami powodują emisję promieniowania o długości fali 21,12 cm, które można obserwować w radiowej części widma. Dokładne obserwacje radiowe, prowadzone na tej długości fali, pozwalają powiedzieć coś o rozkładzie przestrzennym neutralnego wodoru atomowego.

Na przykład, dzięki radiowym obserwacjom wodoru neutralnego w naszej Galaktyce, poznaliśmy jej strukturę i kształt. Emisja na długości fali 21 cm ma kilka bardzo cenionych przez astronomów własności. Przede wszystkim jej intensywność jest wprost proporcjonalna do ilości emitującego ją wodoru. Ponadto przenika ona bez problemów przez chmury pyłu międzygwiazdowego, które intensywnie pochłaniają np. promieniowanie widzialne.

Obserwacje na tej długości fali nie są jednak pozbawione wad. Przejścia pomiędzy normalnymi poziomami energetycznymi produkują linie na tyle silne, że teleskopami o średnicy kilku metrów jesteśmy w stanie obserwować je w kwazarach oddalonych od nas o nawet 10 miliardów lat świetlnych. Linie 21 cm są znacznie słabsze i do ich obserwacji używa się największych radioteleskopów na Ziemi, co pozwala obserwować obiekty znajdujące się w odległościach nie większych niż około 2 miliardy lat świetlnych.

W ostatnim numerze “Science” M.A. Zwaan, P.G. van Dokkum i M.A.W. Verheijen prezentują wyniki obserwacji wodoru atomowego w gromadzie galaktyk Abell 2218. Gromada ta znajduje się w odległości niecałych 3 miliardów lat świetlnych od nas i w swoim wnętrzu zawiera kilkaset gęsto upakowanych galaktyk.

Astronomowie do obserwacji wykorzystali radioteleskop Westerbork Synthesis Radio Telescope, którego efektywna średnica wynosiła prawie 100 metrów. Instrument był na tyle czuły, że z tej odległości powinien zaobserwować wodór w galaktykach wielkości naszej Galaktyki. Ponad 100 godzin obserwacji pozwoliło jednak zaobserwować tylko jedną wyraźną chmurę wodoru związaną z galaktyką znajdującą się około 600 tysięcy lat świetlnych od centrum gromady.

Ten zaskakujący brak wodoru atomowego w gromadzie Abell 2218 rzuca znacznie więcej światła na ewolucję galaktyk w dużych i gęstych gromadach. Okazuje się, że galaktyki takie ewoluują znacznie szybciej niż na przykład obiekty w Grupie Lokalnej.

Częste zderzenia i interakcje pomiędzy galaktykami w grupie inicjują przemianę obłoków wodoru w młode gwiazdy, a przez to galaktyki wyglądają starzej niż w rzeczywistości. W gromadzie Abell 2218 tylko jedna galaktyka nie przeszła na tyle blisko centrum gromady, by pozbyć się swoich zapasów wodoru neutralnego.

Zdjęcie przedstawia efekt soczewkowania grawitacyjnego na masywnej gromadzie galaktyk Abell 2218. Obraz galaktyk położonych za gromadą jest jaśniejszy, powielony i powykrzywiany. Gdyby nie efekt soczewkowania, odległych galaktyk nigdy byśmy nie dostrzegli. Sama gromada Abell znajduje się w odległości około 3 miliardów lat świetlnych od nas, widzimy ją w konstelacji Smoka (Draco). Fotografię wykonał Kosmiczny Teleskop Hubble’a (HST) przy użyciu przyrządu Wide Field Planetary Camera 2.

Astronomowie już zastanawiają się, jak wygląda zawartość wodoru w znacznie dalszych gromadach galaktyk. Do rozwikłania tej zagadki musimy poczekać aż do czasu, kiedy na Ziemi lub w przestrzeni kosmicznej pojawią się radioteleskopy znacznie czulsze od obecnie używanych.

Autor

Marcin Marszałek