30 grudnia 2019

Zmienność blazara

Aktywne jądra galaktyczne (AGN) to supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk, które akreują materię. AGNy emitują strumienie naładowanych cząstek, które poruszają się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, przenosząc ogromne ilości energii z dala od centralnego obszaru czarnej dziury i emitują promieniowanie w całym spektrum elektromagnetycznym. Blazary są ekstremalnymi przykładami AGNów, w których skolimowane dżety są przypadkowo skierowane w naszą stronę. Dżety blazara mają dwa szczyty długości fali, jeden, który obejmuje zakres od radia do promieniowania rentgenowskiego (wynik przyspieszenia naładowanych cząstek), a drugi przy wyjątkowo krótkich długościach fali, wysokoenergetycznych pasmach promieniowania gamma zwykle (i nieco kontrowersyjnie) przypisywanych naładowanym cząstkom rozpraszającym fotony w podczerwieni z różnych innych źródeł. Wszystkie te pasma przejawiają silną i nieprzewidywalną zmienność. Jednoczesne, długoterminowe obserwacje na wielu pasmach, poprzez modelowanie względnego czasu rozbłysków i innych zmiennych emisji, stanowią cenny sposób na zbadanie licznych możliwych mechanizmów fizycznych w działaniu.


Mark Gurwell, astronom z CfA, był członkiem dużego zespołu astronomów, który monitorował zmienność blazara CTA102 w latach 2013-2017 na pasmach od radiowego po promieniowanie gamma. Chociaż ten blazar był monitorowany od 1978 roku, dopiero od uruchomienia obserwatorium Compton Gamma Ray w 1992 r. odkryto jego zmienność promieniowania gamma, a start misji Fermi Gamma-Ray Space Telescope w 2008 r. umożliwił kontynuację obserwacji.

W 2016 r. CTA102 wszedł w nową fazę bardzo wysokiej aktywności promieniowania gamma, błyszcząc przez kilka tygodni z odpowiednimi zmianami emisji na wszystkich długościach fal. W grudniu tego roku zauważono rozbłysk, w którym był ponad 250 razy jaśniejszy niż w swoim zwykłym słabym stanie. Dla tego wydarzenia zaproponowano kilka szczegółowych scenariuszy fizycznych, z których jeden oparty jest na zmianach orientacji geometrycznej dżetów. W nowym artykule zespół zauważa, że ponieważ dwa piki emisji powstają w wyniku dwóch różnych procesów o różnych właściwościach geometrycznych, można przetestować także scenariusz geometryczny. Na przykład przepływy w promieniowaniu gamma i optycznym powstają z tych samych ruchów cząstek w dżetach i powinny być silnie skorelowane. Astronomowie przeprowadzili analizę wszystkich dostępnych danych dotyczących zmienności w latach 2013-2017. Wnioskują, że niejednorodny, zakrzywiony strumień modulowany przez zmiany orientacji może w prosty sposób wyjaśnić długo występujący strumień i ewolucję widmową CTA102.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

27 grudnia 2019

Gwałtowny wybuch czarnej dziury daje nowy wgląd w ewolucję gromady galaktyk

Miliardy lat temu, w centrum odległej gromady galaktyk, czarna dziura wyrzucała strumienie plazmy. Gdy plazma wypadła z czarnej dziury, odepchnęła materię, tworząc dwa duże zapadliska, które dzieli od siebie 180 stopni. W taki sam sposób, w jaki można obliczyć energię uderzenia meteorytu według wielkości krateru, który pozostawił, Michael Calzadilla, doktorant z Instytutu Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli MIT wykorzystał rozmiar zapadlisk, aby ustalić moc wybuchu czarnej dziury.


W niedawno opublikowanej pracy astronomowie opisują wybuch w gromadzie galaktyk SPT-CLJ0528-5300 (w skrócie SPT-0528). Łącząc objętość i ciśnienie wypartego gazu z wiekiem dwóch zapadlisk, byli w stanie obliczyć całkowitą energię wybuchu. Przy energii większej niż 1054 dżuli, sile odpowiadającej około 1038 bomb atomowych, jest to najpotężniejszy wybuch odnotowany w odległej gromadzie galaktyk. 

Wszechświat jest usiany gromadami galaktyk, zbiorowiskami setek a nawet tysięcy galaktyk, które są przesiąknięte gorącym gazem i ciemną materią. W centrum każdej gromady znajduje się czarna dziura przechodząca przez okres karmienia, w którym pochłania plazmę z gromady, a następnie okresy wybuchów, w których wystrzeliwuje strumienie plazmy. „Jest to ekstremalny przypadek fazy wybuchów” mówi Calzadilla o swojej obserwacji SPT-0528. Chociaż wybuch miał miejsce miliardy lat temu, zanim jeszcze ukształtował się nasz Układ Słoneczny, minęło ok. 6,7 mld lat, zanim światło z gromady galaktyk dotarło do obserwatorium rentgenowskiego Chandra. 

Ponieważ gromady galaktyk są pełne gazu, z początku teorie przewidywały, że w miarę ochładzania się gazu w gromadach zwiększy się prędkość formowania się gwiazd, które do wytworzenia potrzebują właśnie chłodnego gazu. Jednak gromady te nie są tak chłodne, jak przewidywano, i dlatego nie tworzyły nowych gwiazd w oczekiwanym tempie. Coś uniemożliwiło pełne ochłodzenie gazu. Sprawcami były supermasywne czarne dziury, których wybuchy plazmy utrzymują gaz w gromadach galaktyk zbyt ciepłym, aby gwiazdy mogły się szybko formować.

Zarejestrowany wybuch w SPT-0528 ma jeszcze jedną właściwość, która odróżnia go od innych wybuchów czarnych dziur. Jest niepotrzebnie duży. Proces chłodzenia się gazu i uwalniania gorącego gazu z czarnych dziur jest uważany przez astronomów za równowagę, która utrzymuje stabilną temperaturę w gromadzie galaktyk. Wybuch w SPT-0528 nie pozostaje jednak w równowadze.

Według Calzadilli, jeżeli spojrzeć na ilość mocy, jaka jest uwalniana jako chłodny gaz na czarną dziurę w porównaniu do tego, ile energii jest zawartej w wybuchu, wybuch jest zdecydowanie przesadzony. W analogii Michaela McDonalda, współautora pracy, wybuch w SPT-0528 jest wadliwym termostatem. „To tak, jakby chłodzić powietrze o 2 stopnie a reakcją termostatu było ogrzanie pomieszczenia o 100 stopni” – wyjaśnia McDonald.

Wcześniej w 2019 roku McDonald i współpracownicy opublikowali artykuł analizujący inną gromadę galaktyk, która wykazuje zupełnie odwrotne zachowanie niż SPT-0528. Zamiast niepotrzebnego gwałtownego wybuchu, czarna dziura w gromadzie Feniks nie jest w stanie powstrzymać gazu przed ochłodzeniem. W przeciwieństwie do wszystkich innych znanych gromad galaktyk, Feniks jest pełna młodych gwiezdnych żłobków, co odróżnia ją od większości gromad galaktyk.

Astronomowie charakteryzują 100 gromad galaktyk. Powodem charakteryzowania tak dużej ich kolekcji jest to, że każdy obraz teleskopu rejestruje gromady w określonym momencie, podczas gdy ich zachowania zmieniają się w czasie kosmicznym. Gromady te pokrywają szereg odległości i grup wiekowych, co pozwala im zbadać, jak zmieniają się właściwości gromad w kosmicznej skali czasowej.

Badania te przypominają badania paleontologa próbującego odtworzyć ewolucję zwierzęcia z rzadkiego zapisu skamieniałości. Zamiast tego Calzadilla bada gromady galaktyk, od SPT-0528 z gwałtownym wybuchem plazmy na jednym końcu do Feniksa z szybkim chłodzeniem się gazu na drugim końcu. Jeżeli astronomowie zbadają wystarczającą liczbę próbek, mogą zrozumieć, jak ewoluują gromady galaktyk.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Symulowanie galaktycznych wypływów

Od dziesięcioleci astronomowie wiedzą, że z galaktyk wyrzucane są masywne wypływy gazu. Te szybko poruszające się dwubiegunowe strumienie spowalniają tempo formowania się gwiazd i hamują zapadanie się galaktyk oraz pomagają zrównoważyć napływ materii z ośrodka międzygalaktycznego. Dwa mechanizmy fizyczne napędzają te wypływy – wybuchy supernowych w obszarach gwiazdotwórczych oraz wiatry wytwarzane w pobliżu centralnych supermasywnych czarnych dziur akreujących materię. Poznanie tych procesów jest niezbędne do zrozumienia, w jaki sposób galaktyki się rozwijają, ale próby korzystania z symulacji numerycznych są od dziesięcioleci utrudnione, ponieważ zarówno powstawanie gwiazd, jak i akrecja czarnej dziury działają w małych skalach, około dziesięć miliardów razy mniejszych niż skala całej galaktyki i jej środowiska. Modelowanie zarówno dużych jaki i małych procesów przy użyciu tego samego kodu jest bardzo trudne obliczeniowo. W rezultacie opracowane przez lata kosmologiczne symulacje ewolucji galaktyk nie mogły być bezpośrednio porównane z obserwacjami wypływów.


Illustris to międzynarodowy projekt, który od pięciu lat tworzy symulowane scenariusze ewolucji galaktyk. Rozmiar najmniejszej symulacji wykonanej w tym projekcie to zaledwie 2300 lat świetlnych, a aby opisać procesy zachodzące na mniejszych rozmiarach, kod wywołuje algorytm ogólny a nie wykonuje szczegółowych obliczeń. Projekt odniósł ogromny sukces w odtwarzaniu olbrzymiej kosmologicznej sieci galaktyk, które powstały po Wielkim Wybuchu. IllustrisTNG („następnej generacji”) to nowa wersja projektu symulacyjnego Illustris, która częściowo rozwiązuje problem skali, skupiając się na szczegółowym rozważeniu wybranych małych objętości przy jednoczesnym uchwyceniu istotnych procesów na dużą skalę. Symulacja IllustrisTNG50, trzecia i ostatnia wersja z tej serii, symuluje aktywność w wymiarach tak małych jak setki lat świetlnych w całkowitej objętości 50 mln parseków (163 mln lat świetlnych), oferując unikalną kombinację zarówno dużej objętości jak i dokładnej rozdzielczości.

Rainer Weinberger i Lars Hernquist, astronomowie z CfA, są członkami zespołu TNG50, który opublikował swoje pierwsze wyniki. W miarę, jak galaktyki stają się coraz bardziej masywne, szybkość wypływu w porównaniu do prędkości formowania się gwiazd maleje. Jednak w umiarkowanie dużych układach trend ten odwraca się ze względu na zwiększony wpływ wiatrów z supermasywnych czarnej dziury. Naukowcy informują również o odkryciu, że wypływy są w naturalny sposób skolimowane do postaci dwubiegunowych i że prędkości wiatru rosną wraz z masą galaktyki do prędkości przekraczających 3000 km/s. Co więcej, chociaż galaktyki podlegające procesowi bardziej aktywnej produkcji gwiazd generalnie napędzają szybsze wiatry, w galaktykach o dużej masie, w których powstawanie gwiazd zostało stłumione, wiatry pozostają silne ze względu na akrecyjną aktywność czarnej dziury.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

24 grudnia 2019

Zbiorowisko galaktyk dostarcza ciepła

Astronomowie badali dwie grupy galaktyk, które zebrały się razem tworząc swoje własne ciepło.


Większość galaktyk nie występuje w odosobnieniu. Przeciwnie, są związane z innymi galaktykami grawitacyjnie albo w stosunkowo niewielkiej ilości znanej jako „grupa galaktyk” lub w znacznie większych skupiskach zwanych „gromadami galaktyk”, składających się z setek lub tysięcy galaktyk. Czasem te zbiorowiska galaktyk są przyciągane do siebie przez grawitację i ostatecznie łączą się ze sobą.

Korzystając z obserwatoriów Chandra, XMM-Newton, Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) i obserwacji optycznych z Obserwatorium Apache Point w Nowym Meksyku, zespół astronomów stwierdził, że dwie grupy galaktyk zderzają się ze sobą z niezwykłą prędkością 6 mln km/h. Może to być najgwałtowniejsza kolizja do tej pory zaobserwowana pomiędzy dwiema grupami galaktyk.

Układ nosi nazwę NGC 6338 i znajduje się w odległości ok. 380 mln lat świetlnych od Ziemi. Obraz ten zawiera dane rentgenowskie z Chandra (czerwony kolor), które pokazują gorący gaz o temperaturze ok. 20 mln stopni Celsjusza, a także chłodniejszy gaz wykryty za pomocą Chandra i XMM-Newton (kolor niebieski), który również emituje promieniowanie X. Dane z Chandra zostały połączone z danymi z SDSS, pokazując galaktyki i gwiazdy w kolorze białym.

Naukowcy szacują, że całkowita masa zawarta w NGC 6338 to ok. 100 kwintylionów słońc. Ta znacząca waga, z której ok. 83% ma postać ciemnej materii, 16% ma postać gorącego gazu a 1% stanowią gwiazdy, wskazuje, że grupy galaktyk mają stać się w przyszłości gromadami galaktyk. Kolizja i fuzja skończą się, a układ nadal będzie gromadził więcej galaktyk dzięki grawitacji.

Poprzednie badania NGC 6338 dostarczyły dowodów na regiony chłodniejszych, emitujących promieniowanie rentgenowskie gazów wokół centrów dwóch grup galaktyk (znanych jako „zimne jądra”). Informacje te pomogły astronomom zrekonstruować geometrię układu, ujawniając, że zderzenie między grupami galaktyk nastąpiło prawie wzdłuż pola widzenia obserwatora z Ziemi. Odkrycie to zostało potwierdzone w nowym badaniu.

Nowe dane pokazują również, że gaz po lewej i prawej stronie chłodnych jąder, oraz pomiędzy nimi, wydaje się być podgrzewany przez fronty uderzeniowe utworzone przez zderzenie dwóch grup galaktyk. Ten wzorzec gazu ogrzewanego wstrząsami został przewidziany w symulacjach komputerowych, ale NGC 6338 może być pierwszym efektem połączeń grup galaktyk, który wyraźnie to pokazuje. Takie ogrzewanie zapobiega ochłodzeniu się gorącego gazu potrzebnego do formowania się nowych gwiazd.

Drugim źródłem ciepła powszechnie występującym w grupach i gromadach galaktyk jest energia dostarczana przez wybuchy i strumienie szybkich cząstek generowanych przez supermasywne czarne dziury. Obecnie to źródło ciepła wydaje się być nieaktywne w NGC 6338, ponieważ w danych radiowych z GMRT nie ma dowodów na istnienie dżetów z supermasywnych czarnych dziur. Nieobecność ta może wyjaśniać włókna chłodnego gazu wykryte w danych rentgenowskich i optycznych wokół dużej galaktyki w centrum chłodnego jądra na południu.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

22 grudnia 2019

Naukowcy potwierdzają obiekty o masach planetarnych w układach pozagalaktycznych

Grupa badaczy donosi o odkryciu pozagalaktycznych obiektów o masach planetarnych w drugiej i trzeciej galaktyce poza Drogą Mleczną. W pierwszej galaktyce poza naszą odkryto takie obiekty w 2018 roku. Przy istniejących zasobach obserwacyjnych niemożliwe jest bezpośrednie wykrycie takich obiektów poza Drogą Mleczną i zmierzenie ich populacji planetarnych.


Wykrywanie obiektów o masie planetarnej, zarówno samotnych planet jak i pierwotnych czarnych dziur jest niezwykle cenne w modelowaniu formowania się gwiazd/planet czy wczesnego Wszechświata. Nawet bez rozkładu tych dwóch populacji nasz limit pierwotnej populacji czarnych dziur jest już o kilka rzędów wielkości poniżej poprzednich granic w tym zakresie masy.

Grupa badawcza wykorzystała nowatorską technikę mikrosoczewkowania kwazara do badania populacji planetarnej w odległych układach pozagalaktycznych. Udało im się ograniczyć ułamek tych obiektów o masie planetarnej w odniesieniu do halo galaktycznego, badając ich mikrosoczewkowanie w spektrum soczewkowanych obrazów odległych jasnych aktywnych jąder galaktycznych.

Naukowcy przypuszczali, że te niezwiązane obiekty są albo swobodnie unoszącymi się planetami, albo pierwotnymi czarnymi dziurami. Swobodnie unoszące się planety zostały wyrzucone lub rozsiane podczas procesu formowania się gwiazd/planet. Pierwotne czarne dziury powstają we wczesnej fazie życia Wszechświata jako efekt fluktuacji kwantowych. Wyniki są znaczące, ponieważ potwierdzają, że obiekty o masach planetarnych faktycznie są uniwersalne w galaktykach. Ponadto przedstawiono tutaj pierwsze w historii ograniczenia w zakresie masy planetarnej w regionie wewnątrz gromady galaktyk.

Ograniczenia dotyczące masy pierwotnych czarnych dziur w zakresie mas planetarnych są o kilka rzędów wielkości poniżej poprzednich granic.

Dane obserwacyjne w tej pracy pochodzą z dziesięcioletnich porównań przeprowadzonych przez obserwatorium rentgenowskie Chandra. Dowody obserwacyjne dla tych obiektów o masie planetarnej uzyskane z sygnałów mikrosoczewkowania, które są dostępne jako przesunięcia w linii emisji promieniowania kwazara. Zaobserwowane pomiary porównano z symulacjami mikrosoczewkowania obliczonymi w Supercomputing Center for Education and Research Uniwersytetu w Oklahomie.

Porównanie modeli grupy badawczej z zaobserwowanymi wskaźnikami mikrosoczewkowania pozwoliło im ograniczyć ułamek tych obiektów o masach planetarnych w dwóch układach pozagalaktycznych do około 0.01% całkowitej masy. Praca ta jest kontynuacją poprzedniej wykonanej przez Dai i Guerrasa, która dostarczyła pierwszego pośredniego dowodu na istnienie swobodnych planet poza Drogą Mleczną.

Dwa systemy mają oznaczenia Q J0158-4325 i SDSS J1004+4112. Zdolność potwierdzenia istnienia obiektów o masie planetarnej w gromadzie galaktyk, gdy Wszechświat miał zaledwie połowę swojego obecnego wieku, jest dość niezwykła. Analiza grupy potwierdziła istnienie tych obiektów w skali planetarnej o masie od Jowisza do Księżyca w odległościach pozagalaktycznych, i zapewnia najbardziej rygorystyczne ograniczenia w tym zakresie masy. Wyniki te są zgodne z obecnymi ograniczeniami dla niezwiązanych swobodnych obiektów o masie planetarnej w Drodze Mlecznej.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

21 grudnia 2019

Jądra masywnych galaktyk powstały już 1,5 mld lat po Wielkim Wybuchu

Odległa galaktyka, masywniejsza od naszej własnej – zawierająca nawet bilion gwiazd – pokazuje, że „jądra” masywnych galaktyk we Wszechświecie powstały już 1,5 mld lat po Wielkim Wybuchu, czyli około 1 mld lat wcześniej, niż wskazywały na to poprzednie pomiary.


Gdy wykonamy zdjęcie głębokiego nieba, będziemy mogli zobaczyć wiele galaktyk. Jednak nasze rozumienie tego, w jaki sposób te galaktyki powstają i rosną, jest wciąż dość ograniczone – szczególnie, jeżeli chodzi o masywne galaktyki.

Galaktyki ogólnie klasyfikuje się jako martwe lub żywe: martwe galaktyki nie tworzą już gwiazd, podczas gdy żywe nadal świecą dzięki aktywności gwiazdotwórczej. „Gasnąca” galaktyka jest galaktyką w trakcie umierania – co oznacza, że tworzenie się gwiazd w jej wnętrzu jest znacznie zahamowane. Gasnące galaktyki nie są tak jasne jak w pełni żywe galaktyki, ale też nie są tak ciemne, jak galaktyki martwe. Naukowcy wykorzystują to spektrum jasności do pierwszej identyfikacji podczas obserwacji Wszechświata.

Naukowcy użyli teleskopów Obserwatorium Kecka na Hawajach, aby obserwować gasnącą galaktykę w tak zwanym głębokim polu teleskopów Subaru/XMN-Newton. Ten obszar nieba był dokładnie obserwowany przez kilka teleskopów, dostarczając naukowcom bogactwa danych. Masayuki Tanaka, autor artykułu oraz jego zespół użyli instrumentu o nazwie MOSFIRE zamontowanego na teleskopie Keck I aby wykonać pomiary galaktyki. Uzyskali pomiary o rozdzielczości dwóch mikronów w spektrum bliskiej podczerwieni, którego ludzkie oko nie widzi, ale to potwierdziło, że światło z galaktyki zostało wyemitowane zaledwie 1,5 mld lat po Wielkim Wybuchu. Zespół potwierdził również, że proces formowania się gwiazd w galaktyce został stłumiony.

Powstrzymanie procesu formowania się gwiazd mówi nam, że galaktyka umiera, ale właśnie takie galaktyki astronomowie chcą zbadać szczegółowo aby zrozumieć, dlaczego dochodzi do procesu gaszenia.

Według Francesco Valentino, współautora artykułu, astronomowie uważają, że masywne galaktyki są pierwszymi, które umierają w historii Wszechświata i że mają klucz do zrozumienia, dlaczego występuje gaśnięcie.

Badacze odkryli także, że „jądra” masywnych galaktyk wydają się w pełni uformowane we wczesnym Wszechświecie. To, jak gwiazdy poruszają się w galaktyce zależy od tego, ile masy ona zawiera. Tanaka i jego zespół odkryli, że gwiazdy w odległej galaktyce wydają się poruszać tak szybko, jak te bliżej nas. 

Naukowcy nadal badają, w jaki sposób powstają i jak umierają masywne galaktyki we wczesnym Wszechświecie, i szukają bardziej masywnych gasnących galaktyk w odległym Wszechświecie, które mogą rzucić światło na wcześniejsze fazy tego procesu.

Kiedy pojawiła się pierwsza martwa galaktyka we Wszechświecie? Jest to dla naukowców bardzo interesujące pytanie. Aby na nie odpowiedzieć, będą musieli przeprowadzić dalsze obserwacje głębokiego nieba za pomocą największych teleskopów.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

20 grudnia 2019

Nowe wskazówki dotyczące ciemnej materii pochodzące z najciemniejszych galaktyk

Nowe badania przeprowadzone przez naukowców dostarczają ważnych informacji dotyczących składu ciemnej materii oraz jej interakcji z jasną materią.


Nazywa się je galaktykami o niskiej jasności powierzchniowej (LSB) i dzięki nim uzyskano ważne potwierdzenia i nowe informacje dotyczące jednej z największych tajemnic kosmosu: ciemnej materii. Są to galaktyki dyskowe reprezentujące szczególny rodzaj galaktyk z rotującym dyskiem. Nazywane są tak ze względu na jasność niskiej gęstości.

Naukowcy przeanalizowali prędkość rotacji gwiazd i gazu tworzące galaktyki, które są przedmiotem badań, zauważając, że LSB mają również bardzo jednorodne zachowanie. Wynik ten umacnia kilka wskazówek dotyczących obecności i zachowania ciemnej materii, otwierając nowe scenariusze jej oddziaływania z jasną materią.

Ciemna materia wydaje się stanowić około 90% masy Wszechświata: efekty jej działania można wykryć na innych obiektach obecnych w kosmosie, a jednak nie można jej zaobserwować bezpośrednio, ponieważ nie emituje promieniowania. Jedną z metod jej badania jest badanie krzywych rotacji galaktyk, układów opisujących trend prędkości gwiazd na podstawie ich odległości od centrum galaktyki. Obserwowane zmiany są powiązane z oddziaływaniem grawitacyjnym wywołanym obecnością gwiazd i ciemnego składnika materii. W związku z tym krzywe rotacji są dobrym sposobem na uzyskanie informacji o ciemnej materii w oparciu o jej wpływ na to, co możemy obserwować. W szczególności analizę krzywych rotacji można przeprowadzić indywidualnie lub na grupach galaktyk o podobnych cechach zgodnie z metodą uniwersalnej krzywej rotacji (URC).

Oryginalność tych badań polega na zastosowaniu po raz pierwszy metody URC, stosowanej już w przypadku innych rodzajów galaktyk, do dużej próbki galaktyk o niskiej jasności powierzchniowej i uzyskanie podobnych wyników. 

Jak to często bywa w badaniach naukowych, to ujawniło dalsze zaskakujące i nieoczekiwane wyniki. „Odkryliśmy związek skali między właściwościami dysku gwiezdnego i halo ciemnej materii, np. związek między rozmiarami dysków gwiazdowych a rozmiarami obszaru wewnętrznego przy stałej gęstości halo ciemnej materii. Ponadto, porównując związki znalezione w LSB z tymi uzyskanymi w różnych typach galaktyk, stwierdziliśmy, że wszystkie one są prawie przypadkowe. Wielkim zaskoczeniem było sprawdzenie, że galaktyki o bardzo odmiennej morfologii i historii wykazują te same związki między właściwościami ciemnej i jasnej materii” – wyjaśnia Chiara di Paolo, astrofizyk z SISSA i główna autorka badania. Wynik ten, wraz z niektórymi charakterystycznymi cechami galaktyk LSB, otwiera nową serię scenariuszy, w tym istnienia innego rodzaju bezpośredniej interakcji, oprócz grawitacyjnej, między dwoma rodzajami materii, które tworzą galaktyki. Ciekawy pomysł do zweryfikowania na podstawie nowych obserwacji.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

18 grudnia 2019

Odległe galaktyki podobne do Drogi Mlecznej ukazują historię formowania się gwiazd

Ten nowy radiowy obraz przedstawia odległe galaktyki. Najjaśniejsze miejsca to galaktyki zasilane przez supermasywne czarne dziury, świecące jasno na falach radiowych. Ale tym, co wyróżnia ten obraz, są liczne słabe kropki wypełniające niebo. Są to odległe galaktyki, takie jak nasza, których nigdy wcześniej nie obserwowano na tym paśmie.


Aby poznać historię formowania się gwiazd we Wszechświecie, musimy spojrzeć w przeszłość. Galaktyki tworzą swoje gwiazdy przez 13 mld lat, ale większość z nich powstała między 8 a 11 mld lat temu.

Dla astronomów wyzwaniem było zbadanie słabego światła pochodzącego z tej epoki. Teleskopy optyczne widzą bardzo odległe galaktyki, ale nowe gwiazdy są w dużej mierze ukryte w zakurzonych obłokach gazowych. Dzięki radioteleskopom można obserwować rzadkie, jasne galaktyki tworzące gwiazdy ukryte za tym pyłem. Do tej pory jednak instrumenty te nie były wystarczająco czułe, aby wykrywać sygnały z odległych galaktyk podobnych do Drogi Mlecznej, które są odpowiedzialne za większość procesów formowania się gwiazd we Wszechświecie.

Międzynarodowy zespół astronomów korzystających z radioteleskopu MeerKAT w południowoafrykańskim obserwatorium South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) niedawno dokonał pierwszej obserwacji radiowej na tyle czułej, by móc odkryć takie galaktyki. „Aby stworzyć ten obraz, wybraliśmy obszar na niebie południowym, na którym nie ma silnych źródeł radiowych mogących zaślepić czułe obserwacje” – powiedział Tom Mauch z SARAO w Kapsztadzie, kierownik zespołu badawczego.

Zespół wykorzystał 64 anteny MeerKAT do obserwacji tego obszaru w łącznym czasie 130 godzin. Powstały obraz pokazuje obszar nieba o powierzchni porównywalnej do pięciu tarcz Księżyca w pełni, zawierający dziesiątki tysięcy galaktyk.

Ponieważ fale radiowe poruszają się z prędkością światła, obraz ten jest swoistym wehikułem czasu, analizującym przez miliardy lat powstawanie gwiazd w tych odległych galaktykach. Ponieważ jedynie młode gwiazdy (w wieku poniżej 30 mln lat) emitują fale radiowe, astronomowie wiedzą, że nie trafią na stare gwiazdy, które by zanieczyściły obraz.  

Astronomowie chcą wykorzystać ten obraz aby dowiedzieć się więcej na temat formowania się gwiazd w całym Wszechświecie. Te pierwsze wyniki wskazują, że tempo formowania się gwiazd w tym okresie życia Wszechświata jest nawet wyższe niż pierwotnie oczekiwano. Na obrazach uzyskiwanych wcześniej można było wykryć jedynie rzadkie i świecące galaktyki, które stworzyły tylko niewielką część gwiazd we Wszechświecie.

Tylko w ciągu ostatnich kilku lat technologia rozwinęła się do tego stopnia, że można budować wspaniałe teleskopy, takie jak MeerKAT i otrzymać moc obliczeniową do tworzenia obrazów takich jak ten i dostatecznie zrozumieć, w jaki sposób Wszechświat stał się taki, jakim jest obecnie.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

12 grudnia 2019

W jaki sposób supermasywne czarne dziury rosną tak szybko?

Czarne dziury we wczesnym Wszechświecie stanowią pewien problem. Na podstawie obserwacji z teleskopów na Ziemi i w kosmosie wiemy, że niektóre czarne dziury przybrały masę nawet miliarda mas Słońca w zaledwie miliard lat po Wielkim Wybuchu. Nasze obecne modele wzrostu czarnych dziur nie są jednak w stanie wyjaśnić tej prędkości. Jak więc powstały te supermasywne czarne dziury?


Jest to problem, który od dawna nęka astronomów. Nasze obecne rozumienie sugeruje, że w tych ramach czasowych powinny być w stanie rosnąć tylko tak zwane czarne dziury o masie pośredniej do 100 000 razy większej niż masa Słońca. I choć zaproponowano kilka teorii dotyczących tego szybkiego wczesnego wzrostu czarnej dziury, odpowiedź pozostaje nieuchwytna.

Czarne dziury powstają, gdy masywna gwiazda wypali swoje paliwo, czasem jako rezultat supernowej, a innym razem bez supernowej, co nazywa bezpośrednim kolapsem. Gdy gwiazda nie ma już paliwa do spalenia, nie może dalej utrzymać swojej masy i zapada się. Jeżeli masa gwiazdy była wystarczająco duża, zapadnie się w obiekt o ogromnym przyciąganiu grawitacyjnym, z którego nic, nawet światło, nie będzie w stanie uciec – czarną dziurę.

W miarę jak czarna dziura stopniowo przyciąga coraz więcej pobliskich pyłów i gazów, może rosnąć, osiągając w końcu olbrzymie proporcje supermasywnej czarnej dziury, takiej jak pierwsza zobrazowana w 2019 r. Naukowcy badają, czy supermasywne czarne dziury mogły powstać z supermasywnych gwiazd, które zapadły się, tworząc duże „nasiona” czarnych dziur, dając im przewagę we wzroście.

Dr John Regan, astrofizyk z Dublin City University koordynował projekt o nazwie SmartStars, w którym wykorzystano jeden z najpotężniejszych superkomputerów w Irlandii., ICHEC, w celu modelowania, w jaki sposób nadolbrzymy mogą dostarczyć nasiona supermasywnych czarnych dziur. Zespół chciał sprawdzić, czy gwiazdy te mogą przyczynić się do szybkiego wzrostu supermasywnych czarnych dziur, które widzimy dzisiaj w centrum niemal każdej galaktyki.

Odkryli, że takie gwiazdy mogą wzrosnąć do 250 000 mas Słońca w ciągu 200 mln lat od Wielkiego Wybuchu – kuszący wynik. Jednak nawet superkomputery mają swoje ograniczenia. Naukowcom udało się modelować przyszłość takich gwiazd jedynie przez milion lat, a modelowanie musi obejmować 800 mln lat aby zobaczyć, czy te gwiazdy rzeczywiście mogą być ziarnami supermasywnych czarnych dziur.

Inne teorie dotyczące tego, w jaki sposób te czarne dziury rosły tak szybko, są takie, że niewielka część czarnych dziur rosła w niewiarygodnym tempie lub że mniejsze czarne dziury się ze sobą zlewały, by urosnąć do supermasywnej czarnej dziury.

Dr Muhammad Latif, astrofizyk z Uniwersytetu Zjednoczonych Emiratów Arabskich w Abu Zabi, zgadza się z dr Reganem, że model supermasywnej gwiazdy pozostaje w tej chwili naszą najlepszą teorią. Dr Latif był głównym badaczem projektu FIRSTBHs, który, podobnie jak SmartStars, badał wiarygodność modelu supermasywnych gwiazd, wykorzystując symulacje na superkomputerze we Francji.

Jego projekt, który został przeprowadzony w CNRS we Francji, wykazał, że supermasywne gwiazdy mogą wytwarzać nasiona czarnych dziur o masach setek tysięcy mas Słońca, co by znaczyło, że początkowe nasiona czarnych dziur są wystarczająco duże, by uwzględnić wzrost supermasywnych czarnych dziur o miliardy mas Słońca w tak krótkim czasie.

Wymaga to jednak, aby warunki we wczesnym Wszechświecie były odpowiednie, by mogły powstać te czarne dziury. Byłyby potrzebne duże ilości materii wodorowej i helowej do wytworzenia wystarczającej ilości nasion masywnych czarnych dziur, by wytworzyć supermasywne czarne dziury, co wydaje się możliwe. 

Ale inne niewyjaśnione czynniki oznaczają, że wciąż pytanie to pozostaje otwarte. Na przykład nasiona czarnych dziur musiałyby przybierać materię w tempie co najmniej 0,1 masy Słońca rocznie, a obecnie nie jest jasne, czy jest to możliwe.

Kilka obserwatoriów już umożliwia nam badanie czarnych dziur we Wszechświecie. W październiku 2019 roku astronomowie ogłosili, że użyli ALMA do odkrycia grubego pierścienia gazu i pyłu wokół supermasywnej czarnej dziury w odległej galaktyce. Uważa się, że gdy dwa strumienie obracają się w przeciwnych kierunkach, pierścień mógł zasilać supermasywną czarną dziurę wystarczającą ilością materii, aby spowodować jej szybki wzrost.

Wcześniej, w sierpniu 2019 r. Obserwatorium rentgenowskie Chandra zdołało dostrzec tzw. „zakamuflowaną” czarną dziurę rosnącą gwałtownie, gdy Wszechświat miał zaledwie 6% swojego obecnego wieku. Gęsty obłok gazu kryje czarną dziurę i powstały kwazar, jasny obszar przegrzanej materii, który ją otacza, ale Chandra była w stanie ją dostrzec, widząc promieniowanie X wyłaniające się z obłoku.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

8 grudnia 2019

Odkrycie współtowarzysza czarnej dziury

Uważa się, że większość galaktyk posiada w swoich jądrach supermasywne czarne dziury, a dziesiątki takich obiektów zostało zmierzonych pośrednio za pomocą technik takich, jak obrazowanie (z wykorzystaniem np. EHT) czy modelowanie ruchu materii, która je okrąża. Na przykład nasza Droga Mleczna ma w swoim centrum czarną dziurę o masie 4 mln słońc. Szacuje się, że najbardziej skrajne przykłady mają aż 10 mld mas Słońca. Na drugim końcu skali masy, obserwacje rentgenowskie materii opadającej na czarne dziury o masach gwiazdowych, z okrążających je gwiezdnych towarzyszy zmierzyły około sześćdziesięciu przypadków, których masy wynoszą od kilku do dziesięciu mas Słońca. Dzięki wykrywaniu fal grawitacyjnych dokonano około kilkunastu przekonywujących detekcji czarnych dziur o masach od kilku do kilkudziesięciu mas Słońca. Taka różnica między tymi obiektami o masach gwiazdowych a supermasywnymi czarnymi dziurami w jądrach galaktyk jest uderzająca i uważa się ją za wynikającą z ich różnego pochodzenia: czarne dziury o masach gwiazdowych pochodzą od gwiazdy, która wybuchła jako supernowa, podczas gdy supermasywne czarne dziury, choć bardziej tajemnicze, uważa się za rosnące w wyniku połączenia się i akrecji masy.


Rosomana Di Stefano z CfA była członkiem zespołu astronomów, który w najnowszym numerze Nature ogłosił odkrycie czarnej dziury o masie gwiazdowej w układzie podwójnym z bardzo gorącą gwiazdą o okresie rotacji wynoszącym 78,9 dnia i separacji mającej 1 jednostkę astronomiczną, najszerszą dotąd znaną. Naukowcy użyli spektrometru optycznego do wyszukiwania okresowych zmian w widmach każdej z trzech tysięcy gwiazd, o których wiadomo, że są w układach podwójnych i sądzili, że mogą mieć dość ekstremalnego towarzysza. Każda gwiazda była mierzona 26 razy, od samego początku działania projektu w 2016 roku, za pomocą teleskopu LAMOST (Large Aperture Multi-Object Spectroscopic Telescope). W szczególności jedna gwiazda, oznaczona LB-1, miała dużego niewidzialnego towarzysza. Analizy obserwacji uzupełniających za pomocą instrumentów o znacznie wyższej rozdzielczości widmowej pozwoliły ustalić, że jej masa wynosi ok. 68 mas Słońca, z dokładnością ok. 10 mas Słońca.

Ten masywny obiekt prawie na pewno jest czarną dziurą, ponieważ nie ma tak masywnych gwiazd, ale jego pochodzenie jest na razie zagadką. Zespół rozważał kilka możliwości ale w końcu doszli do wniosku, że niektóre z bardziej niezwykłych, ale możliwych alternatyw oferują spójny scenariusz, rzucając tym samym nowe światło nie tylko na populację czarnych dziur w tym zakresie mas, ale także na ekstremalne sytuacje zapadania się gwiazd i ewolucje gwiazd podwójnych. Odkrycie sygnalizuje również prawdopodobieństwo wykrycia innych czarnych dziur za pomocą tej techniki, wraz z odpowiednim spojrzeniem na to, jak one się tworzą.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

6 grudnia 2019

Skład gazowych olbrzymów nie jest zdeterminowany przez gwiazdę gospodarza

Zaskakująca analiza składu gazowych olbrzymów i ich gwiazd macierzystych pokazuje, że nie ma silnej zależności między składem chemicznym, jeżeli chodzi o pierwiastki cięższe niż wodór i hel. Odkrycie to ma ważne implikacje dla naszego zrozumienia procesu formowania się planet.


W młodości gwiazdy otoczone są wirującym dyskiem gazu i pyłu, z którego rodzą się planety. Astronomowie od dawna zastanawiają się, jak bardzo skład gwiazd determinuje materię, z której zbudowane są planety – pytanie, które łatwiej jest zadać, skoro wiemy, że galaktyka pełna jest egzoplanet.

Jak wyjaśnia Johanna Teske, autorka pracy opublikowanej w The Astronomical Journal, zrozumienie związku między składem chemicznym gwiazdy i jej planet może rzucić światło na proces formowania się planet.

Wcześniejsze badania wykazały, że występowanie gazowych olbrzymów wzrasta wokół gwiazd o wyższym stężeniu ciężkich pierwiastków, innych niż wodór i hel. Uważa się, że dostarcza to dowodów na jedną z głównych konkurencyjnych teorii na temat powstawania planet, która sugeruje, że gazowe olbrzymy formują się od powolnej akrecji materii dysku do momentu powstania jądra o masie ok. 10 razy większej niż masa Ziemi. W tym momencie skaliste niemowlęce planetozymale mogą otoczyć się wodorem i helem rodząc dojrzałą olbrzymią gazową planetę.

Teske, Daniel Thorngren – współautor pracy – i ich koledzy porównali zawartość ciężkich pierwiastków 24 chłodnych gazowych olbrzymów z obfitością „pierwiastków tworzących planety” – węgiel, tlen, magnez, krzem, żelazo i nikiel w 19 gwiazdach-gospodarzach.

Byli zaskoczeni, gdy stwierdzili, że nie ma zależności między ilością ciężkich pierwiastków w olbrzymich planetach a ilością pierwiastków tworzących planety w ich gwiazdach-gospodarzach. Jak więc astronomowie mogą wyjaśnić ustanowiony trend, że gwiazdy bogate w ciężkie pierwiastki częściej posiadają gazowe olbrzymy?

Jedna wskazówka może pochodzić z wyników badań dotyczących łączenia ciężkich pierwiastków w grupy, które odzwierciedlają ich charakterystykę. Autorzy zauważyli wstępną zależność między pierwiastkami ciężkimi planety a względną obfitością węgla i tlenu gwiazdy macierzystej, które są nazywane pierwiastkami lotnymi. 

Taske powiedziała: „Jestem podekscytowana dalszym badaniem tego niepewnego wyniku i mam nadzieję, że dodam więcej informacji do naszego zrozumienia związków między składem chemicznym gwiazd i planet z nadchodzących misji, takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który będzie w stanie mierzyć pierwiastki w atmosferach egzoplanet.”

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

5 grudnia 2019

Najbardziej masywna czarna dziura w pobliskim Wszechświecie

Czarne dziury występują w kosmosie w różnych rozmiarach i o różnych masach. Rekord obecnie należy do okazu w gromadzie galaktyk Abell 85, w której znajduje się ultra-masywna czarna dziura o masie 40 mld mas Słońca w środku galaktyki centralnej Holm 15A. Astronomowie z grupy badawczej astronoma Ralf Bendera z Instytutu Maxa Plancka odkryli to, oceniając dane fotometryczne, a także nowe obserwacje spektralne wykonane za pomocą VLT.


Mimo, że galaktyka centralna gromady Abell 85 ma olbrzymią masę w widocznych gwiazdach stanowiącą 2 biliony mas Słońca, środek galaktyki jest wyjątkowo rozproszony i słaby. Właśnie dlatego astronomowie się nią zainteresowali. Ten rozproszony centralny region w galaktyce jest prawie tak duży, jak Wielki Obłok Magellana, co było podejrzaną wskazówką dotyczącą obecności czarnej dziury o bardzo dużej masie.

Gromada galaktyk Abell 85, która składa się z ponad 500 pojedynczych galaktyk, znajduje się w odległości 700 mln lat świetlnych od Ziemi, dwukrotnie większej, niż w przypadku poprzednich bezpośrednich pomiarów masy czarnej dziury.

Nowe dane uzyskane z Obserwatorium USM Wendelstein na Uniwersytecie Ludwiga Maximiliana i przy pomocy instrumentu MUSE na VLT pozwoliły zespołowi na oszacowanie masy bezpośrednio na podstawie ruchów gwiazd wokół jądra galaktyki. Mając masę 40 mld Słońc jest to najbardziej masywna czarna dziura znana obecnie w lokalnym Wszechświecie.  

Profil światła galaktyki pokazuje centrum o wyjątkowo niskiej i bardzo rozproszonej jasności powierzchniowej, znacznie słabszej, niż w innych galaktykach eliptycznych. Oznacza to, że większość gwiazd w centrum musiała zostać usunięta w wyniku interakcji we wcześniejszych procesach łączeniach się galaktyk.

W powszechnie przyjętym poglądzie jądra w tak masywnych galaktykach eliptycznych powstają w wyniku tak zwanego „czyszczenia rdzenia”: przy połączeniu dwóch galaktyk oddziaływania grawitacyjne między ich łączącymi się centralnymi czarnymi dziurami prowadzą do proc grawitacyjnych, które wyrzucają gwiazdy na przeważnie radialne orbity od centrum galaktyki, która pozostała. Jeżeli gaz nie pozostaje w centrum, aby utworzyć nowe gwiazdy – jak w młodszych galaktykach – prowadzi to do wyczerpania jądra.

Nawet przy tak niezwykłej historii łączenia naukowcy mogliby ustalić nowy i solidny związek pomiędzy masą czarnej dziury a jasnością powierzchniową galaktyki: z każdym połączeniem czarna dziura zyskuje masę, a centrum galaktyki traci gwiazdy. Astronomowie mogliby wykorzystać tę zależność do oszacowania masy czarnej dziury w bardziej odległych galaktykach, gdzie bezpośrednie pomiary ruchów gwiazdowych wystarczająco blisko czarnej dziury nie są możliwe.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

2 grudnia 2019

Czarna dziura czy nowo narodzone gwiazdy? SOFIA odkrywa galaktyczną łamigłówkę

W nowym badaniu naukowcy zastanawiają się nad czarną dziurą, która wydaje się zmieniać galaktyczne środowisko w sposób zwykle kojarzony z nowo narodzonymi gwiazdami. 


Czarne dziury są z natury dziwne, a ich siły grawitacyjne tak silne, że nic, nawet światło, nie może z nich uciec. Ponieważ aktywne czarne dziury pochłaniają gaz i pył, część tej materii jest wypuszczana na zewnątrz jako strumienie cząsteczek o wysokiej energii oraz promieniowanie. Zazwyczaj dżety te są prostopadłe do galaktyki gospodarza, ale obserwatorium SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) znalazło taki, który strzela bezpośrednio do swojej galaktyki.

Strumień ten podgrzewa gaz wokół centrum galaktyki w sposób charakterystyczny dla rodzących się gwiazd. Skłania to naukowców do ponownej oceny swoich wyobrażeń na temat kluczowego gazu powiązanego z młodymi gwiazdami oraz na temat tego, w jaki sposób czarne dziury ogólnie wpływają na swoje galaktyki gospodarzy.

Gwiazdy rodzą się w obłokach gazu i pyłu. Jest to proces ukryty przed naszym spojrzeniem w świetle widzialnym. Ale światło podczerwone, którego nasze oczy nie widzą, może przenikać te obłoki. SOFIA wykorzystuje promieniowanie podczerwone do badania narodzin gwiazd. Jednak nawet mając potężne teleskopy, astronomowie nie widzą szczegółów takich jak nowo narodzone gwiazdy w bardzo odległych galaktykach. Zamiast tego szukają oznak gazu ogrzewanego przez takie gwiazdy, zwanego zjonizowanym węglem. Ponieważ zjonizowany węgiel jest tak często spotykany w związku z nowonarodzonymi gwiazdami, naukowcy zakładają, że powstawanie gwiazd zachodzi, gdy znajdą gaz w odległych galaktykach.

Jednak gdy naukowcy z SOFIA badali pięć pobliskich galaktyk z aktywnymi czarnymi dziurami, odkryli, że ta o najniższym wskaźniku narodzin gwiazd zawiera najbardziej zjonizowany węgiel. W rzeczywistości było go 10 razy więcej niż w innych galaktykach o podobnej wielkości i składzie. Ale wskaźnik narodzin gwiazd jest tak niski, że może wyprodukować tylko 25% wykrytego gazu. Innymi słowy, same nowo narodzone gwiazdy nie były w stanie wyjaśnić obfitości zjonizowanego węgla. Musi istnieć inne wyjaśnienie tej ważnej sygnatury chemicznej.

Zespół wykorzystał instrument SOFIA nazwany Field Imaging Far-Infrared Line Spectrometer (FIFI-LS), aby dokładnie zbadać galaktykę HE 1353-1917. Odkryli, że strumień czarnej dziury strzela promieniowaniem bezpośrednio w galaktykę, a nie w otaczającą ją przestrzeń. Większość zjonizowanego węgla jest skoncentrowana w pobliżu galaktycznej aktywnej czarnej dziury, co wskazuje, że tajemniczym źródłem gazu jest intensywne promieniowanie wytwarzane przez strumień czarnej dziury.

Jest to sprzeczne z od dawna przyjętym założeniem, że zjonizowany węgiel jest przede wszystkim wizytówką nowo narodzonych gwiazd. 

Informacje z pobliskich galaktyk, takie jak sposób, w jaki czarne dziury mogą tworzyć zjonizowany węgiel i wpływają na późniejszą ewolucję galaktyki, są kluczowe dla zrozumienia danych z innych obserwatoriów, w tym z ALMA w Chile. Radioteleskopy badają niektóre z najodleglejszych i najsłabszych galaktyk, które często znajdują się tak daleko, że nawet potężne teleskopy mogą je wykryć jedynie jako punkt światła. Światło to jest pełne informacji, ale szczegóły dotyczące pobliskich galaktyk zebrane przez SOFIA są wymagane do interpretacji danych z najodleglejszych regionów Wszechświata. Teraz naukowcy wiedzą, że wysoki poziom zjonizowanego węgla w odległej galaktyce może wskazywać nie tylko na to, że rodzi się wiele gwiazd, ale także, że strumień czarnej dziury może być odpowiedzialny za te same rodzaje sygnatur chemicznych.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Mgławice planetarne w odległych galaktykach

Korzystając z danych z instrumentu MUSE , naukowcom z Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) udało się wykryć niezwykle słabe mgła...