Międzynarodowy zespół astronomów dokonał pomiaru ilości siarki w przestrzeni międzygwiazdowej naszej galaktyki, wykorzystując dane z japońskiej misji XRISM (X-ray Imaging and Spectroscopy Mission). Po raz pierwszy udało się bezpośrednio zidentyfikować siarkę zarówno w stanie gazowym, jak i stałym — w formie związanej z pyłem kosmicznym.
Wyniki te stanowią ważne osiągnięcie w dziedzinie spektroskopii rentgenowskiej — techniki polegającej na analizie promieniowania X emitowanego lub pochłanianego przez materię. To właśnie ta metoda stanowi podstawę działania XRISM i umożliwia badanie składu chemicznego bardzo odległych obiektów kosmicznych.
Siarka w kosmosie — nieoczywisty pierwiastek
Siarka (S) odgrywa ważną rolę w procesach biologicznych na Ziemi — wchodzi m.in. w skład aminokwasów, enzymów i witamin. Jednak jej zachowanie w przestrzeni kosmicznej wciąż pozostaje słabo poznane. W przeciwieństwie do wielu innych pierwiastków, siarka może dość łatwo przechodzić ze stanu gazowego w stały i odwrotnie. To sprawia, że może ukrywać się w różnych formach, w zależności od warunków środowiska.
Jak badać siarkę między gwiazdami?
Astronomowie wykorzystali promieniowanie rentgenowskie z dwóch układów podwójnych w gwiazdozbiorze Skorpiona, położonych około 33 000 lat świetlnych od Ziemi: GX 340+0, zawierającego gwiazdę neutronową, oraz 4U 1630–472, będącego kandydatem na układ z czarną dziurą.
Promieniowanie rentgenowskie z tych źródeł przemieszcza się przez przestrzeń międzygwiazdową, a po drodze może być częściowo pochłaniane przez ośrodek międzygwiazdowy – mieszaninę rozrzedzonego gazu i pyłu znajdującego się pomiędzy gwiazdami. To właśnie w tym ośrodku może występować siarka, zarówno jako atomy w gazie, jak i jako składnik cząstek pyłu.
Obszar ośrodka międzygwiazdowego badany w poszukiwaniu siarki przy użyciu japońskiej misji XRISM (X-ray Imaging and Spectroscopy Mission). W centrum obrazu zaznaczono układ podwójny rentgenowski 4U 1630–472, który posłużył jako źródło promieniowania do analizy składu chemicznego materii międzygwiazdowej. Mozaika powstała z połączenia danych w zakresie promieniowania rentgenowskiego (oznaczonego odcieniem głębokiego błękitu), podczerwieni i światła widzialnego. Źródło danych: DSS / DECaPS / eROSITA / NASA Goddard Space Flight Center.
Promienie rentgenowskie jako narzędzie diagnostyczne
Podobnie jak lekarz wykorzystuje promienie rentgenowskie do uzyskania obrazu wnętrza ludzkiego ciała, tak astronomowie analizują osłabienie promieniowania rentgenowskiego po przejściu przez materię międzygwiazdową. Różne pierwiastki pochłaniają promieniowanie rentgenowskie w charakterystyczny sposób, zależny od ich struktury atomowej i formy fizycznej (gazowej lub stałej).
Zespół kierowany przez dr Líę Corrales z Uniwersytetu Michigan dobrał obszar nieba, w którym gęstość materii była „w sam raz” – nie za mała (bo promienie X przechodziłyby bez śladu), ale też nie za duża (by nie zostały całkowicie zablokowane).
Obserwacje nieba w promieniowaniu rentgenowskim wykonane przez instrument MAXI w rejonie gwiazdozbioru Skorpiona, obejmujące okres jednego miesiąca. Kolorowe mapy pokazują natężenie promieniowania w czterech zakresach energetycznych: 2–20 keV, 2–4 keV, 4–10 keV i 10–20 keV. Jasne źródło widoczne w centrum każdej z map to układ podwójny 4U 1630–472, będący kandydatem na układ z czarną dziurą. Skala barw odzwierciedla zmienność intensywności promieniowania – od niskiej (ciemnoniebieski) do bardzo wysokiej (czerwony). Źródło danych: JAXA/RIKEN/MAXI team, http://maxi.riken.jp
Wyniki obserwacji — siarka w dwóch stanach skupienia
Dzięki instrumentowi Resolve, będącemu tzw. mikrokalorymetrem spektrometrycznym (detektorem mierzącym niezwykle precyzyjnie energię pojedynczych fotonów rentgenowskich), naukowcy zmierzyli strukturę pochłaniania promieniowania z GX 340+0. Wyniki wskazują na obecność siarki zarówno w postaci gazowej, jak i stałej, przy czym ta druga najprawdopodobniej występuje w formie związków z żelazem (Fe).
To odkrycie jest zgodne z analizami meteorytów z Układu Słonecznego, w których często znajdowane są minerały siarczkowe, takie jak pirotyn (Fe₁₋ₓS). Sugeruje to, że siarka może kondensować się w takich formach w chłodnych, gęstych obłokach molekularnych – czyli regionach, w których powstają nowe gwiazdy i planety.
Astronomowie wykorzystali promieniowanie rentgenowskie z dwóch układów podwójnych gwiazd do wykrycia siarki w ośrodku międzygwiazdowym – gazie i pyle znajdującym się w przestrzeni międzygwiazdowej. To pierwszy bezpośredni pomiar zarówno gazowej, jak i stałej fazy siarki w kosmosie. Źródło: NASA
Dlaczego te badania są ważne?
Odkrycie siarki w różnych stanach skupienia w przestrzeni międzygwiazdowej ma znaczenie nie tylko dla astrofizyki, ale i dla kosmochemii, czyli nauki o składzie chemicznym Wszechświata i jego ewolucji.
Siarka jest tzw. pierwiastkiem biogennym – niezbędnym do życia, ale jednocześnie trudnym do śledzenia poza Układem Słonecznym. Jej obecność (lub brak) w różnych rejonach galaktyki może wpływać na powstawanie cząsteczek organicznych i potencjalnie życia.
Badania takie jak te pozwalają zrozumieć cykl pierwiastków we Wszechświecie, lepiej modelować procesy formowania się planet oraz wskazują kierunki poszukiwań biomateriałów lub „cegiełek życia” w odległych zakątkach Galaktyki.
Więcej informacji: publikacja Lía Corrales et al, XRISM insights for interstellar sulfur, Publications of the Astronomical Society of Japan (2025). DOI: 10.1093/pasj/psaf068
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Lokalizacja jasnych źródeł promieniowania rentgenowskiego w układzie współrzędnych galaktycznych. Wśród zaznaczonych obiektów znajduje się m.in. układ GX 340+0, emitujący silne promieniowanie X. Pozycje źródeł zostały naniesione na mapę emisji H-alfa uzyskaną w ramach przeglądu Wisconsin H-Alpha Mapper (WHAM), przedstawiającą rozkład zjonizowanego wodoru w Drodze Mlecznej. Źródło: L. M. Haffner, R. J. Reynolds, S. L. Tufte i in., The Wisconsin H‑Alpha Mapper Northern Sky Survey, Astrophysical Journal Supplement Series, 149, 405–422 (2003)
