Obłoki pyłu kosmicznego w 3D
Astronomowie rozwiązują zagadkę różnej aktywności gwiazdotwórczej dwóch podobnie wyglądających obłoków molekularnych.
Kształt Obłoku Kalifornia i Obłoku Oriona A z dwóch różnych perspektyw w rozdzielczości przestrzennej 15 lat świetlnych. Kolory oznaczają gęstość, przy czym kolor czerwony oznacza wyższe wartości. Obrazy są oparte na rekonstrukcji 3D wykonanej przez Sarę Rezaei Khoshbakht i Jouni Kainulainena.
Źródło: Rezaei Khoshbakht & Kainulainen (2022) / MPIA.
Wykorzystując dziesiątki tysięcy gwiazd obserwowanych przez sondę kosmiczną Gaia, astronomowie z MPIA i Chalmers ujawnili trójwymiarowe kształty dwóch dużych gwiazdotwórczych obłoków molekularnych – Obłok Kalifornia i Obłok Oriona A. Na konwencjonalnych zdjęciach 2D wydają się one mieć podobną strukturę, zawierającą włókna pyłu i gazu o pozornie porównywalnej gęstości. Jednak w 3D wyglądają one zupełnie inaczej. W rzeczywistości ich gęstości są znacznie bardziej różne, niż wynikałoby to z ich obrazów wyświetlanych na płaszczyźnie nieba. Wynik ten rozwiązuje długoletnią zagadkę, dlaczego te dwa obłoki tworzą gwiazdy w różnym tempie.
Kosmiczne obłoki gazu i pyłu są miejscem narodzin gwiazd. Dokładniej mówiąc, gwiazdy powstają w najgęstszych skupiskach tego materiału. Temperatura spada tam niemal do zera bezwzględnego, a gęsto upakowany gaz zapada się pod własnym ciężarem, tworząc w końcu gwiazdę. Gęstość, czyli ilość materii ściśniętej w danej objętości, jest jedną z kluczowych właściwości, które decydują o wydajności procesów gwiazdotwórczych – mówi Sara Rezaei Khoshbakht, astronom w Max Planck Insitute for Astronomy w Heidelbergu w Niemczech i główna autorka nowego artykułu opublikowanego 16 maja 20222 roku w The Astrophysical Journal Letters.
W pilotażowym badaniu przedstawionym w tym artykule Sara Rezaei Khoshbakht i współautor pracy Jouni Kainulainen zastosowali metodę, która pozwala im zrekonstruować morfologię 3D obłoków molekularnych w dwóch olbrzymich obłokach gwiazdotwórczych. Kainulainen jest naukowcem z Chalmers University of Technology w Göteborgu w Szwecji, który wcześniej pracował również w MPIA. Obiektami tych badań były Obłok Oriona A i Obłok Kalifornia.
Zazwyczaj pomiar gęstości w obłokach jest trudny. Wszystko, co widzimy podczas obserwacji obiektów w przestrzeni kosmicznej, to ich dwuwymiarowy rzut na wyimaginowaną sferę niebieską – wyjaśnia Jouni Kainulainen. Jest to eksperyment w dziedzinie interpretacji wpływu materii kosmicznej na światło gwiazd i obliczania gęstości na podstawie takich danych. Kainulainen dodaje: Konwencjonalnym obserwacjom brakuje niezbędnej głębi. Dlatego jedyną gęstością, jaką zwykle możemy wnioskować z takich danych, jest tak zwana gęstość kolumnowa.
Gęstość kolumnowa to masa dodana wzdłuż linii widzenia podzielona przez rzutowany przekrój poprzeczny. Dlatego te gęstości kolumnowe niekoniecznie odzwierciedlają rzeczywiste gęstości obłoków molekularnych, co jest problematyczne, gdy chodzi o powiązanie własności obłoków z aktywnością gwiazdotwórczą. Rzeczywiście, obrazy dwóch obłoków badanych w tej pracy, na których widoczna jest termiczna emisja pyłu, mają pozornie podobną strukturę i gęstość. Jednak ich znacząco różne tempo formowania gwiazd od wielu lat zastanawia astronomów.
Nowa rekonstrukcja 3D pokazuje jednak, że te dwa obłoki wcale nie są do siebie tak podobne. Pomimo włóknistego wyglądu, jaki przedstawiają obrazy 2D, Obłok Kalifornia jest płaskim, długim na prawie 500 lat świetlnych płatem materii, poniżej którego rozciąga się wielki bąbel. Nie można zatem przypisać mu jednej odległości, co ma istotne konsekwencje dla interpretacji jego właściwości. Z naszej perspektywy na Ziemi jest on zorientowany niemalże krawędzią do góry, co tylko symuluje strukturę włóknistą. W rezultacie rzeczywista gęstość obłoku jest znacznie mniejsza niż sugeruje to gęstość kolumnowa, co wyjaśnia rozbieżność między poprzednimi oszacowaniami gęstości a tempem powstawania gwiazd w obłoku.
A jak wygląda Obłok Oriona A w 3D? Zespół potwierdził jego gęstą włóknistą strukturę widoczną na zdjęciach 2D. Jednak jego rzeczywista morfologia również różni się od tego, co widzimy w 2D. Orion A jest dość złożony z dodatkowymi kondensacjami wzdłuż wyraźnego grzbietu gazu i pyłu. Średnio, Orion A jest znacznie gęstszy niż Obłok Kalifornia, co tłumaczy jego większą aktywność gwiazdotwórczą.
Sara Rezaei Khoshbakht opracowała metodę rekonstrukcji 3D w trakcie swojej pracy doktorskiej. Polega ona na analizie zmian światła gwiazdowego podczas przechodzenia przez obłoki gazu i pyłu, co zostało zmierzone przez sondę Gaia i inne teleskopy. Głównym celem Gai jest precyzyjny pomiar odległości do ponad miliarda gwiazd w Drodze Mlecznej. Odległości te mają kluczowe znaczenie dla metody rekonstrukcji 3D.
Przeanalizowaliśmy i skorelowaliśmy światło pochodzące od 160 000 i 60 000 gwiazd odpowiednio dla Obłoku Kalifornia i Obłoku Oriona A – mówi Sara Rezaei Khoshbakht. Dwójka astronomów zrekonstruowała morfologię i gęstość obłoków z rozdzielczością zaledwie 15 lat świetlnych. Nie jest to jedyna metoda, którą astronomowie stosują do wyznaczania przestrzennych struktur obłoków – dodaje Rezaei Khoshbakht. Ale nasze daje solidne i wiarygodne wyniki bez artefaktów numerycznych.
Badanie to dowodzi, że dzięki dodaniu trzeciego wymiaru może ono poprawić badania nad formowaniem się gwiazd w Drodze Mlecznej. Myślę, że jednym z ważnych wyników tej pracy jest to, że rzuca ona wyzwanie badaniom, które polegają wyłącznie na progach gęstości kolumnowej w celu określenia właściwości formowania się gwiazd i porównania ich ze sobą – podsumowuje Sara Rezaei Khoshbakht.
Praca ta jest jednak tylko pierwszym krokiem w kierunku, który astronomowie chcą osiągnąć. Sara Rezaei Khoshbakht realizuje projekt, który ostatecznie pozwoli na poznanie przestrzennego rozkładu pyłu w całej Drodze Mlecznej i odkrycie jego związku z formowaniem się gwiazd.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
.jpg)
