Odkryj sekrety tworzenia gwiazd w Galaktyce Wir

Ta ilustracja przedstawia rozkład promieniowania cząsteczki diazenelium (fałszywy kolor) w galaktyce wirowej w porównaniu z obrazem optycznym. Czerwonawe obszary na zdjęciu reprezentują jasne mgławice gazowe zawierające gorące, masywne gwiazdy przecinające ciemne obszary gazu i pyłu w ramionach spiralnych. Obecność diazenelu w tych ciemnych obszarach wskazuje na obecność szczególnie zimnych i gęstych chmur gazu. Źródło obrazu: © Thomas Müller (HdA/MPIA), S. Stuber i in. (MPIA), NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) i Zespół Dziedzictwa Hubble'a (STScI/AURA)

Po raz pierwszy w galaktyce pozagalaktycznej odkryto ślady pojedynczych zimnych, gęstych obłoków gwiazdotwórczych droga Mleczna Został on rozrysowany na dużym obszarze.

Międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez astronomów z Instytutu Astronomii Maxa Plancka (MPIA) precyzyjnie i z niespotykaną dotąd szczegółowością zmapował rozległe obszary zimnego, gęstego gazu, przyszłe żłobki gwiazd, w galaktyce poza Drogą Mleczną. Za pomocą interferometru NOEMA obserwacje te obejmują szeroki obszar galaktyki, zapewniając wgląd w różne warunki sprzyjające powstawaniu gwiazd. Dane stanowią przełomowe osiągnięcie w tego typu pomiarach, umożliwiając naukowcom po raz pierwszy zbadanie wczesnych stadiów powstawania gwiazd poza Drogą Mleczną w skali tak drobnej jak pojedyncze obłoki gazu, które generują gwiazdy.

Miejsca narodzin gwiazd w galaktyce wirowej

Jak na ironię, ewolucja gorących gwiazd rozpoczyna się w niektórych z najzimniejszych światów wszechświata, w gęstych obłokach gazu i pyłu, które przemierzają całe galaktyki. „Aby zbadać wczesne etapy powstawania gwiazd, podczas których gaz stopniowo się skrapla, tworząc ostatecznie gwiazdy, musimy najpierw zidentyfikować te obszary,mówi Sophia Stober, doktorantka w Instytucie Astronomii Maxa Plancka (MPIA) w Heidelbergu. Jest główną autorką artykułu badawczego, który ma zostać opublikowany w Astronomia i astrofizyka. „W tym celu zwykle mierzymy promieniowanie emitowane przez określone cząsteczki, których jest szczególnie dużo w tych bardzo zimnych i gęstych obszarach.„

Cząsteczki jako sondy chemiczne

Astronomowie zazwyczaj używają cząsteczek takich jak HCN (cyjanowodór) i N₂H⁺ (Diazinelium) jako sonda chemiczna do badania powstawania gwiazd w Drodze Mlecznej. „Ale dopiero teraz byliśmy w stanie bardzo szczegółowo zmierzyć te sygnatury na dużą skalę w galaktyce poza Drogą Mleczną, obejmując różne regiony o zróżnicowanych warunkach” – wyjaśnia Eva Scheinerer, kierownik grupy badawczej w MPIA. „Nawet na pierwszy rzut oka widać, że chociaż te dwie cząsteczki skutecznie ujawniają gęsty gaz, ujawniają także interesujące różnice”.

W wyniku zderzeń z licznymi cząsteczkami wodoru, które same w sobie są trudne do wykrycia, inne cząsteczki wprawiają się w wirowanie. Po zmniejszeniu prędkości obrotowej emitują one promieniowanie o charakterystycznych długościach fal, około trzech milimetrów dla wspomnianych cząsteczek.

Pomiary te są częścią kompleksowego programu monitorowania o nazwie SWAN (Survey of Vortex in Arc Seconds with NOEMA), którego współprowadzili Schinerer i Frank Biegel z Uniwersytetu w Bonn. Wykorzystując Northern Extended Millimeter Array (NOEMA), interferometr radiowy we francuskich Alpach, zespół zamierza zbadać rozmieszczenie różnych cząsteczek we wnętrzu galaktyki Messier 51 o powierzchni 20 000 lat świetlnych, w tym cyjanowodoru i diazenelu. Oprócz 214 godzin obserwacji z tego programu, zbiór danych uzupełnia około 70 godzin z innych kampanii obserwacyjnych przy użyciu 30-metrowego jednotarczowego teleskopu w południowej Hiszpanii.

„Ponieważ dane z interferometrów radiowych są znacznie bardziej złożone niż obrazy z teleskopów, ich przetworzenie i udoskonalenie zajęło około roku” – mówi Jerome Petit z Instytutu Radioastronomii (IRAM), organizacji obsługującej teleskopy. Teleskopy interferometryczne, takie jak NOEMA, składają się z wielu oddzielnych anten i łącznie osiągają szczegółową rozdzielczość porównywalną z teleskopem o średnicy zwierciadła głównego odpowiadającej odległości między poszczególnymi teleskopami.

Właściwości gazu zależą od środowiska

Obserwując 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 te dwa gazy podążały za nami za gęstymi obłokami w tej galaktyce i czy były równie dobrze dopasowane” – wyjaśnia Stober.

Podczas gdy intensywność promieniowania cyjanowodoru i diazenelu stale rośnie i opada w ramionach spiralnych, zapewniając równie wiarygodne wyniki przy określaniu gęstości gazu, astronomowie odkryli zauważalne odchylenie w centrum galaktyki. W porównaniu z diazynelium jasność emisji cyjanowodoru znacznie wzrasta w tym obszarze. Wydaje się, że istnieje mechanizm, który powoduje, że cyjanowodór emituje dodatkowe światło, czego nie obserwuje się w diaznelu.

„Uważamy, że odpowiada za to aktywne jądro galaktyczne w Galaktyce Wir” – mówi Sheinerer. Obszar ten otacza blok centralny Czarna dziura. Zanim gaz wpadnie do czarnej dziury, tworzy wirujący dysk, rozpędza się do dużych prędkości, na skutek tarcia nagrzewa się do tysięcy stopni i emituje intensywne promieniowanie. Promieniowanie to może częściowo przyczynić się do dodatkowej emisji cząsteczek cyjanowodoru. „Jednak nadal musimy szczegółowo zbadać, co sprawia, że ​​te dwa gazy zachowują się inaczej” – dodaje Scheiner.

Wartościowe wyzwanie

Dlatego przynajmniej w centralnym obszarze Galaktyki Wir diazynel wydaje się być bardziej niezawodną sondą gęstości w porównaniu z cyjanowodorem. Niestety, przy tej samej gęstości gazu fluoryzuje pięciokrotnie mniej, co znacznie zwiększa wysiłek pomiarowy. Dodatkową wymaganą czułość osiąga się poprzez znacznie dłuższy okres obserwacji.

Perspektywa szczegółowego zbadania wczesnych stadiów galaktyk poza Drogą Mleczną napawa naukowcami nadzieją. Tak wyraźny obraz Galaktyki Wir nie jest dostępny w przypadku Drogi Mlecznej. Chociaż obłoki molekularne i obszary gwiazdotwórcze znajdują się bliżej Drogi Mlecznej, określenie dokładnej struktury i położenia ramion spiralnych i obłoków jest trudniejsze.

„Chociaż możemy się wiele nauczyć ze szczegółowego programu obserwacji Galaktyki Wir, jest to w pewnym stopniu projekt pilotażowy” – zauważa Stober. „Chcielibyśmy w przyszłości badać w ten sposób więcej galaktyk”. Jednakże możliwość ta napotyka obecnie ograniczenia ze względu na możliwości techniczne. Galaktyka Wir świeci wyjątkowo jasno w świetle tych sond chemicznych. W przypadku innych galaktyk teleskopy i instrumenty muszą być znacznie bardziej czułe.

„Następna generacja bardzo dużej macierzy (ngVLA), będąca obecnie w fazie planowania, prawdopodobnie będzie wystarczająco wydajna” – ma nadzieję Shiner. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, będzie dostępny dopiero za około dziesięć lat. Do tego czasu Galaktyka Wir będzie bogatym laboratorium do badania powstawania gwiazd w skali galaktycznej.

Odniesienie: „Badanie wirów drugiego łuku przy użyciu NOEMA (SWAN) – I. Mapowanie HCN i N₂„Linie H+ 3 mm” Sophii K. Stuber, Jerome Petit, Eva Scheinerer, Frank Beigel, Antonio Osero, Ivana Pešlić, Miguel Quirejeta, Maria J. Jiménez Donaire, Adam Leroy, Jacob den Broek, Lukas Neumann, Cosima Ebensteiner, Yu-Hsuan Ting, Ashley Barnes, Melanie Chevance, Dario Colombo i Daniel A. Dale, Simon Kuo Glover, Dezong Liu i Hsi An Pan, 20 grudnia 2023 r., Astronomia i astrofizyka.
doi: 10.1051/0004-6361/202348205

Badaczami MPIA zaangażowanymi w to badanie są Sophia Stuber i Eva Schinnerer.

Inni współautorzy to Jérôme Petit (IRAM i Observatoire de Paris/PSL, Francja). [PSL]), Franka Biegela (Uniwersytet w Bonn, Niemcy [UB]), Antonio Osero (Observatorio Astronómica Nacional/IGN, Madryt, Hiszpania [OAN]), Ivana Pešlić (PSL), Miguel Querigeta (OAN), J. Maria Jiménez Donaire (OAN i Yebes/IGN Observatory, Guadalajara, Hiszpania), Adam Leroy (Ohio State University, Columbus, USA), Jacob den Broek (Centrum Astrofizyki, Harvard and Smithsonian, Cambridge, USA), Lukas Newman (UB) , Cosima Ebensteiner (UB), Yu-Hsuan Teng (Uniwersytet Kalifornijski w San Diego, La Jolla, USA), Ashley Barnes (Europejskie Obserwatorium Południowe, Garching, Niemcy[[[[Eso]), Melanie Schiffans (Centrum Astronomii, Uniwersytet w Heidelbergu, Niemcy [ZAH] Badania nad uniwersalnymi początkami życia (DAO), Dario Colombo (UB), Daniel A. Dale (Uniwersytet Wyoming, Laramie, USA), Simon CO Glover (ZAH), Daizhong Liu (Instytut Fizyki Pozaziemskiej im. Maxa Plancka, Garching, Niemcy) i Hsi-An Pan (Uniwersytet Tamkang, Tajwan).