Po raz pierwszy udało się zmapować na dużym obszarze sygnatury poszczególnych zimnych i gęstych obłoków gwiazdotwórczych w galaktyce poza Drogą Mleczną.
Międzynarodowy zespół badawczy pod kierownictwem astronomów z Instytutu Astronomicznego Maxa Plancka (MPIA) dokładnie zmapował ekspansywne obszary zimnego i gorącego gazu, przyszłe miejsca narodzin gwiazd, w galaktyce poza Drogą Mleczną z niezwykłą precyzją. Korzystając z interferometru Northern Extended Millimetre Array (NOEMA), obserwacje te objęły rozległy obszar galaktyki, co pozwoliło na zrozumienie różnych warunków sprzyjających formowaniu się gwiazd. Zebrane dane stanowią przełomowe osiągnięcie w tego rodzaju pomiarach, umożliwiając naukowcom po raz pierwszy zbadanie wczesnych faz formowania się gwiazd poza Drogą Mleczną w tak drobnej skali, jak pojedyncze obłoki gazu tworzące gwiazdy.
Paradoksalnie, proces ewolucji gorących gwiazd zaczyna się w jednych z najzimniejszych obszarów Wszechświata – gęstych obłokach gazu i pyłu, które przemierzają całe galaktyki. Aby zbadać wczesne fazy formowania się gwiazd, w których gaz stopniowo kondensuje się, tworząc ostatecznie gwiazdy, musimy najpierw zidentyfikować te obszary – powiedziała Sophia Stuber, doktorantka z Instytutu Astronomii Maxa Plancka (MPIA) w Heidelbergu. Jest ona główną autorką artykułu, który ma zostać opublikowany w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics. W tym celu zazwyczaj mierzymy promieniowanie emitowane przez określone cząsteczki, które są szczególnie obfite w tych niezwykle zimnych i gęstych obszarach.
Cząsteczki jako sondy chemiczne
Astronomowie zazwyczaj wykorzystują cząsteczki takie jak HNC (cyjanowodór) i N2H+ (diazenyl) jako sondy chemiczne do badania procesów formowania się gwiazd w Drodze Mlecznej. Ale dopiero teraz byliśmy w stanie dokładnie zmierzyć te sygnatury w szerokim zakresie w galaktyce poza Drogą Mleczną, obejmując różne strefy o zróżnicowanych warunkach – wyjaśniła Eva Schinnerer, liderka grupy badawczej w MPIA. Już na pierwszy rzut oka widać, że podczas gdy obie cząsteczki skutecznie ujawniają gęsty gaz, to także ukazują interesujące różnice.
W wyniku zderzeń z licznymi cząsteczkami wodoru, które same w sobie są trudne do wykrycia, inne cząsteczki ulegają wprawieniu w ruch obrotowy. W rezultacie emitują promieniowanie o charakterystycznej długości fali, wynoszącej około trzech milimetrów dla wymienionych wcześniej cząsteczek.
Pomiary te są częścią kompleksowego programu obserwacyjnego o nazwie SWAN (Surveying the Whirlpool at Arcsecond with NOEMA). Wykorzystując interferometr radiowy NOEMA, zespół ma na celu zbadanie rozkładu różnych cząsteczek w odległości 20 000 lat świetlnych od galaktyki Wir (Messier 51), w tym cyjanowodoru i diazenylu. Oprócz 214 godzin obserwacji z tego programu, około 70 godzin z innych kampanii obserwacyjnych za pomocą 30-metrowego teleskopu w południowej Hiszpanii uzupełnia zestaw danych.
Ponieważ dane z interferometrów radiowych są znacznie bardziej skomplikowane niż obrazy z teleskopów, przetwarzanie i udoskonalanie danych zajęło około kolejnego roku – powiedział Jérôme Pety z Institute de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), instytucji obsługującej teleskopy. Teleskopy interferometryczne, takie jak NOEMA, składają się z wielu pojedynczych anten, które wspólnie osiągają rozdzielczość szczegółów porównywalną z teleskopem o średnicy zwierciadła głównego równej odległości między poszczególnymi teleskopami.
Właściwości gazu zależą od środowiska
Ponieważ obserwujemy tę galaktykę z odległości około 28 milionów lat świetlnych, możemy rozróżnić sygnatury poszczególnych obłoków gazu w różnych obszarach, takich jak centrum i ramiona spiralne. Wykorzystaliśmy tę okoliczność, aby określić, jak dobrze oba gazy śledzą dla nas gęste obłoki w tej galaktyce i czy są one jednakowo dopasowane – powiedziała Stuber.
Podczas gdy intensywność promieniowania cyjanowodoru i diazenylu konsekwentnie wzrasta i maleje w ramionach spiralnych, zapewniając równie wiarygodne wyniki do określenia gęstości gazu, astronomowie znaleźli znaczące odchylenie w centrum galaktyki. W porównaniu do diazenylu, jasność emisji cyjanowodoru wzrasta bardziej znacząco w tym regionie. Wydaje się, że istnieje tam mechanizm, który stymuluje cyjanowodór do emitowania dodatkowego światła, czego nie obserwuje się w przypadku diazenylu.
Podejrzewamy, że odpowiedzialne za to jest aktywne jądro galaktyczne w galaktyce Wir – powiedziała Schinnerer. Region ten otacza centralną masywną czarną dziurę. Zanim gaz wpadnie do czarnej dziury, tworzy wirujący dysk, przyspiesza do dużych prędkości i jest podgrzewany do tysięcy stopni przez tarcie, emitując intensywne promieniowanie. Promieniowanie to rzeczywiście może częściowo przyczyniać się do dodatkowej emisji cząsteczek cyjanowodoru. Nadal jednak musimy szczegółowo zbadać, co sprawia, że oba gazy zachowują się inaczej – dodała Schinnerer.
Wartościowe wyzwanie
W związku z tym, przynajmniej w centralnym obszarze galaktyki Wir, diazenyl wydaje się być bardziej wiarygodnym próbnikiem gęstości w porównaniu do cyjanowodoru. Niestety, świeci on średnio pięć razy słabiej dla tej samej gęstości gazu, co znacznie zwiększa trudność pomiaru. Wymagana dodatkowa czułość jest osiągana dzięki znacznie dłuższemu okresowi obserwacji.
Perspektywa szczegółowego zbadania wczesnych faz w galaktykach poza Drogą Mleczną daje naukowcom nadzieję. Tak wyraźny widok galaktyki Wir jest niedostępny dla Drogi Mlecznej. Podczas gdy obłoki molekularne i regiony gwiazdotwórcze znajdują się bliżej Drogi Mlecznej, określenie dokładnej struktury i lokalizacji ramion spiralnych i obłoków jest znacznie trudniejsze.
Chociaż możemy się wiele nauczyć ze szczegółowego programu obserwacji galaktyki Wir, jest to w pewnym sensie projekt pilotażowy – powiedziała Stuber. Chcielibyśmy w przyszłości badać w ten sposób więcej galaktyk. Możliwość ta napotyka jednak obecnie na ograniczenia wynikające z możliwości technicznych. Galaktyka Wir świeci wyjątkowo jasno w świetle tych chemicznych próbników. W przypadku innych galaktyk teleskopy i instrumenty muszą być znacznie bardziej czułe.
Obecnie planowany interferometr radiowy VLA następnej generacji (ngVLA) prawdopodobnie będzie wystarczająco potężny – ma nadzieję Schinnerer. Jeżeli wszystko pójdzie dobrze, będzie on dostępny dopiero za około dziesięć lat. Do tego czasu galaktyka Wir służy jako bogate laboratorium do badania formowania się gwiazd w skali galaktycznej.
Więcej informacji:
- The birthplaces of stars in the Whirlpool Galaxy
- Surveying the Whirlpool at Arcseconds with NOEMA (SWAN)
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Źródło: MPIA
Na ilustracji: Ilustracja przedstawiająca rozkład promieniowania cząsteczki diazenylu (fałszywe kolory) w galaktyce Wir w porównaniu z obrazem optycznym. Czerwonawe obszary na zdjęciu przedstawiają jasne mgławice gazowe zawierające gorące, masywne gwiazdy przemierzające ciemne strefy gazu i pyłu w ramionach spiralnych. Źródło: Thomas Müller (HdA/MPIA), S. Stuber i inni (MPIA), NASA, ESA, S. Beckwith (STScI), and the Zespół Dziedzictwa Hubble'a (STScI/AURA)
