Przejdź do treści

Kosmiczna zabawa w chowanego

Cykliczna zmienność masera G107.298+5.639
Astronomowie z Centrum Astronomii UMK zaobserwowali niezwykłe zjawisko: naprzemienne emisje fal radiowych od cząsteczek metanolu i pary wodnej wokół młodej gwiazdy. Jest to jedyny znany przypadek kosmicznego masera o takich właściwościach. Obserwacje przeprowadzono za pomocą 32-metrowego radioteleskopu w Piwnicach koło Torunia.

Zespół, którym kierował prof. dr hab. Marian Szymczak z Centrum Astronomii UMK, specjalizuje się w badaniach maserów. Spośród około 1000 skatalogowanych maserów metanolowych, toruńscy naukowcy monitorują swoim radioteleskopem aż 284. Spośród całej grupy maserów metanolowych największe zainteresowanie wzbudzają te, które wykazują cykliczną zmienność. znanych jest tylko 16 takich przypadków, a aż pięć z nich zostało odkrytych przez Polaków.

Masery to emisje fal radiowych, które są generowane w podobny sposób jak emisja światła w przypadku laserów. Przy czym poszczególne rodzaje maserów mogą być napędzane innymi rodzajami procesów. Dla maserów metanolowych znaczenie ma promieniowanie podczerwone pyłu, a dla maserów wodnych -  fale uderzeniowe. Woda i metanol to jedne z cząsteczek, które występują w obłokach otaczających powstające masywne gwiazdy. Charakterystyczną dla cząsteczek metanolu częstotliwością emisji jest 6,7 GHz, a dla cząsteczek wody 22 GHz. Odpowiada to długościom fali radiowej  4,5 cm oraz 1,3 cm.

Jeden ze zbadanych przez Polaków maserów okazał się być bardzo nietypowy. Radioźródło nosi oznaczenie G107.298+5.639, w skrócie G107. Wiadomo było, że jest tam zmienny maser metanolowy, ale brakowało informacji o maserze wodnym. Przy pomocy nowego odbiornika na 32-metrowym radioteleskopie RT4 w Centrum Astronomii UMK w Piwnicach koło Torunia obserwowano przez kilkadziesiąt dni radioźródło G107. Analizy zebranych danych pokazały, że emisja obiektu wykazuje okresowości. Co więcej, występuje tam zjawisko, którego do tej pory nikt nie obserwował: pojaśnienia masera metanolowego były przeplatane rozbłyskami masera wodnego. Badacze sprawdzili dodatkowo na mapach uzyskanych z interferometrii radiowej, że  obłoki metanolu i wody znajdują się względnie blisko siebie w przestrzeni.

„Wygląda to jakby oba zjawiska unikały współistnienia w tym samym czasie. Maser metanolowy w G107 świeci przez kilka dni, po czym zanika na ponad 20 dni, a jednocześnie pojawia się rozbłysk masera pary wodnej. Następnie maser na 22 GHz zanika i ponownie pojawia się rozbłysk na 6,7 GHz” powiedział prof. Szymczak.

Po raz pierwszy udało się zaobserwować w kosmosie naprzemienną, związaną ze sobą emisję maserową od dwóch rodzajów maserów, metanolowego i wodnego. Oba typy maserów są często spotykane razem, ale do tej pory żadna teoria nie przywidywała występowania zależności pomiędzy ich jasnościami. Odkrycie polskich astronomów pozwoli na zweryfikowanie teorii opisujących procesy związane z maserami i obszarami powstawania gwiazd masywnych, ponieważ natężenie promieniowania maserów jest mocno zależne od warunków fizycznych jakie panują w otoczeniu.

Pełen skład zespołu badawczego: prof. dr hab. Marian Szymczak, mgr Mateusz Olech, dr Paweł Wolak, dr Anna Bartkiewicz, dr Marcin Gawroński (wszyscy z Centrum Astronomii UMK). Artykuł opisujący wyniki badań został opublikowany w „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters”.

Więcej informacji:

Źródło: UMK

Na ilustracji powyżej:
Klatka z animacji przedstawiającej cykliczną zmienność masera w radioźródle G107.298+5.639. Źródło: Centrum Astronomii UMK.

Na ilustracji poniżej:
Zmienność natężenia emisji maserów metanolowego i wodnego dla radioźródła G107.298+5.639. Źródło: Centrum Astronomii UMK.



Pełen skład zespołu badawczego (od lewej): dr Anna Bartkiewicz, mgr Mateusz Olech, prof. dr hab. Marian Szymczak, dr Paweł Wolak, dr Marcin Gawroński - wszyscy z Centrum Astronomii UMK. Fot.: Krzysztof Bartkiewicz (Centrum Astronomii UMK).




Animacja przedstawiająca zmienność masera metanolowego G107.298+5.639.



Cykliczna zmienność masera metanolowego. Dolny panel przedstawia widmo obiektu G107.298+5.639. Jest to zależność natężenia promieniowania (ściślej gęstości strumienia) od prędkości świecących chmur maserowych. Widmo uzyskano przez uśrednienie danych z obserwacji prowadzonych przez ponad 600 dni. Powyżej znajduje się 6 paneli z krzywymi zmian blasku. Każda krzywa przedstawia zmianę jasności wybranej chmury maserowej w czasie (łącznie 17 cykli). Położenie każdego ze składników w widmie pokazane jest poprzez odpowiednie kolory linii.

Dodatkowo każdej krzywej blasku przypisano inny ton dźwięku (łącznie 6). Głośność każdego tonu jest proporcjonalna do amplitudy odpowiadającej mu krzywej blasku. Wyraźnie słychać ciekawy efekt polegający na tym, że tony nie pojawiają się lub znikają jednocześnie. Przed każdym rozbłyskiem tony zaczynają być słyszalne w pewnej kolejności. Podobnie w różnej kolejności zanikają kiedy jasność masera maleje. Zjawisko to nosi nazwę przesunięcia fazowego "phase-lag".


Animacja pokazuje zmienność masera metanolowego i wodnego dla radioźródła G107.298+5.639.



Lewa część animacji (zwana widmem dynamicznym) przedstawia zmienność masera metanolowego i wodnego (pary wodnej) w czasie (oś pionowa). Na osi poziomej zaznaczono prędkość radialną, która umożliwia rozróżnienie w otoczce gwiazdy obłoków w których świecą masery, a które poruszają się względem nas z różnymi prędkościami. Kolory "ciepłe" od zielonego do czerwonego reprezentują natężenie świecenia metanolu (zielony - najsłabsze, czerwony - najsilniejsze). Kolory "zimne" od fioletowego do ciemno niebieskiego analogicznie odpowiadają świeceniu wody.

Do 120. dnia nie prowadzono jeszcze obserwacji masera wody, dlatego patrząc od dołu ku górze pojawiają się początkowo jedynie cykliczne rozbłyski masera metanolowego. Po dniu 120 i czwartym cyklu rozbłysku metanolu, zaczyna okresowo pojawiać się i znikać emisja wody. W miarę upływu czasu biała strzałka i przerywana biała linia określają aktualny dzień obserwacji. Data (rok i miesiąc) widoczna nad ramką widma dynamicznego zmienia się z upływem czasu. W celu dodatkowej wizualizacji zmienności natężenia emisji wybrano po jednym obłoku metanolu oraz wody i przypisano im dźwięki (niski dla metanolu i wysoki dla wody) Siła natężenia obu dźwięków odpowiada jasnościom maserów.

W prawej dolnej części obrazu rysowana jest zależność natężenia promieniowania (oś pionowa) od czasu (oś pozioma). W miarę upływu czasu pojawiają się krzywe blasku dla wybranych obłoków: metanolowego (pomarańczowy) i wodnego (niebieski).

W prawej górnej części obrazu widoczna jest mapa nieba, na której pojawiają się obrazy radiowe obiektu. Wymiary mapy wyrażone są w jednostkach astronomicznych (AU). Średnice okręgów są proporcjonalne do jasności obłoków maserowych. Kolor pomarańczowy to metanol, niebieski woda. W lewym górnym rogu pokazany jest płynący czas (dzień od startu animacji).

Źródło: Centrum Astronomii UMK.