Przejdź do treści

Archeologia Drogi Mlecznej zapisana w wodorze atomowym

Emisja atomowego wodoru z części projektu THOR (u góry) i powiązane z nią struktury włókienkowe wokół włókna Magdaleny (u dołu).

Międzynarodowa grupa astronomów kierowana przez Juana Diego Solera z Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka odkryła złożoną sieć włóknistych struktur zbudowanych z atomowego wodoru, które przenikają całą Drogę Mleczną.

Tę skomplikowaną sieć gazu udało się wykryć przy zastosowaniu techniki uczenia maszynowego na danych z przeglądu THOR, zapewniających nam najbardziej jak dotąd szczegółowy obraz rozkładu atomowego wodoru w wewnętrznej części Drogi Mlecznej. Naukowcy przeanalizowali orientację tych włókien w stosunku do położenia dysku Drogi Mlecznej z pomocą metod statystycznych i symulacji komputerowych. Wywnioskowali, że struktura zachowała ślad historycznych procesów dynamicznych, wywołanych przez obrót dysku galaktycznego i sprzężenia zwrotne od starożytnych eksplozji supernowych.

Wodór jest składnikiem niezbędnym i kluczowym do tworzenia się nowych gwiazd. Jednak, choć jest to pierwiastek chemiczny najobficiej występujący we Wszechświecie, wciąż nie wiemy, w jaki sposób ten gaz łączy się w obłoki, z których ostatecznie powstają gwiazdy. Zespół astronomów pod kierownictwem Juana Diego Solera z Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka (MPIA) w Heidelbergu podjął teraz ważny krok na drodze do znalezienia odpowiedzi na to pytanie.

Soler przetworzył dane projektu THOR (The HI/OH/Recombination line) kierowanego przez MPIA. To informacje zawierające obserwacje uzyskane z pomocą interferometru radiowego VLA w Nowym Meksyku. Zaprezentowano teraz mapy gazu wodorowego rozmieszczonego w wewnętrznej części Drogi Mlecznej, o najwyższej jak dotąd rozdzielczości przestrzennej. - To jak gdyby zapis archiwalny rozkładu neutralnego atomowego wodoru, z rozdzielczością kątową rzędu 40 sekund - wyjaśnia Henrik Beuther kierujący projektem THOR w MPIA.

- Wykorzystaliśmy tu słynną linię widmową wodoru o długości fali 21 cm - wyjaśnia Yuan Wang, który był odpowiedzialny za przetwarzanie danych. - Dane te determinują również prędkości gazu w kierunku obserwacji. W połączeniu z modelem tego, jak gaz zawarty w dysku Drogi Mlecznej obraca się wokół jej środka, możemy więc nawet wnioskować o jego odległościach - dodaje Wang, mówiąc tu o jednej z kluczowych metod, których astronomowie używają do określania ogólnej struktury Drogi Mlecznej. Jednak bezprecedensowa rozdzielczość obserwacji THOR umożliwia teraz zupełnie nowe badania.

Aby lepiej zarejestrować rozkład atomowego wodoru w galaktyce, Soler zastosował algorytmy matematyczne związane z rozpoznawaniem wzorców i automatyczną analizą obrazów satelitarnych. Doprowadziło to do ujawnienia rozległej i skomplikowanej sieci włókien wodorowych. Zespół odkrył, że większość z nich jest równoległa do dysku Drogi Mlecznej - w tym "pas" wodorowy o długości 3000 lat świetlnych, który sam Soler nazywa Magdaleną na cześć najdłuższej rzeki w Kolumbii, kraju jego pochodzenia.

- Maggie [Magdalena] może być największym znanym nam, spójnym obiektem w Drodze Mlecznej. W ostatnich latach astronomowie badali wiele tego rodzaju wodorowych włókien molekularnych, ale w kontraście z nimi Maggie wydaje się być tworem czysto atomowym. Ze względu na jej szczęśliwe położenie w Drodze Mlecznej mogliśmy dość łatwo ją dostrzec - zauważa Jonas Syed, doktorant w MPIA, członek zespołu THOR. Jednak to populacja pionowych włókien przyciągnęła jeszcze większą uwagę badaczy.

Uczeni spodziewali się raczej, że większość włókien okaże się równoległa do płaszczyzny Galaktyki i silnie rozciągnięta przez jej obrót. Ale znaleziono też wiele pionowych włókien, zgrupowanych wokół regionów znanych z ich wysokiej aktywności gwiazdotwórczej. Może z tego wynikać, że jakiś proces musiał dosłownie zdmuchiwać ten materiał z płaszczyzny galaktyki. Gwiazdy o dużych masach (ponad ośmiokrotnie bardziej masywne od Słońca) wstrzykują przy tym do swego galaktycznego otoczenia duże ilości energii poprzez wiatry gwiazdowe, promieniowanie jonizujące, a pod koniec ich życia dodatkowo przez wybuchy supernowych.

W przeszłości astronomowie wykorzystywali obserwacje wodoru atomowego do identyfikacji powłok otaczających wybuchy supernowych. Twory te mogą mieć nawet kilka milionów lat. Fale uderzeniowe z tych eksplozji powodują, że rozproszony i wszechobecny wodór gromadzi się w gęstszych obłokach, które - jak podejrzewają naukowcy - mogą być pierwszymi etapami w procesie formowania się gwiazd. Ale w tym przypadku jest nieco inaczej. Większość pionowych włókien atomowego wodoru wydaje się być skoncentrowana w regionach o długiej historii formowania się gwiazd, w których środowisko ukształtowało już kilka generacji gwiazd i w którym było wiele wybuchów supernowych. Naukowcy powiązali to zatem z wydarzeniami poprzedzającymi pojawianie się nowych powłok.

- Najprawdopodobniej więc patrzymy na pozostałości wielu starszych powłok, które pękały po dotarciu do ​​krawędzi dysku galaktycznego, a tam gromadziły się przez ostatnie miliony lat, pozostając w spójności dzięki obecnym tam też polom magnetycznym - wyjaśnia Soler. Zespół wyciągnął ten wniosek na podstawie zaawansowanych symulacji numerycznych dla dynamiki wybuchów supernowych, rozkładów pól magnetycznych i ruchów galaktycznych opracowanych przez grupę badawczą kierowaną przez Rowana Smitha z Jodrell Bank Center for Astrophysics w Wielkiej Brytanii i Patricka Hennebelle z CEA/Saclay we Francji.

Wyniki i narzędzia analityczne wynikające z tych badań oferują nowe powiązania między obserwacjami a procesami fizycznymi prowadzącymi do gromadzenia się gazu, poprzedzającymi powstawanie nowych gwiazd w Drodze Mlecznej i innych galaktykach. Galaktyki to złożone układy dynamiczne, a nowe wnioski naukowe na ich temat są trudne do zdobycia.

- Podczas gdy archeolodzy odtwarzają całe cywilizacje z ruin miast, a paleontolodzy łączą starożytne ekosystemy na bazie kości dinozaurów, my rekonstruujemy historię Drogi Mlecznej z pomocą obłoków atomowego wodoru - podsumowuje Soler.


Czytaj więcej:

 

Źródło: Max Planck Institute for Astronomy

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska

 Na zdjęciu: Emisja atomowego wodoru zmapowana na bazie części projektu THOR (u góry) i powiązane z nią struktury włókienkowe wokół włókna Magdaleny (u dołu). Kolory przedstawiają emisję dla trzech różnych prędkości radialnych.
Źródło: J. Soler et al. 2020