Echa rentgenowskie ujawniają trójwymiarową strukturę obłoków molekularnych w centrum naszej Galaktyki
Nowa metoda wykorzystuje dekady danych do poznania trójwymiarowej struktury obłoków molekularnych, miejsca narodzin gwiazd, w centrum Drogi Mlecznej.
 |
| Otoczenie Sagittarius A*. Źródło: Chandra |
Naukowcy z Uniwersytetu Connecticut stworzyli pierwsze trójwymiarowe mapy obłoków gazu tworzącego gwiazdy w jednym z najbardziej ekstremalnych środowisk w naszej Galaktyce i zbadali poprzednie rozbłyski supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A* (Sgr A*).
Centrum Drogi Mlecznej to ekstremalne środowisko, w którym temperatury, gęstości i turbulencje gazu są około 10 razy większe niż w pozostałej części Galaktyki. W tym centralnym regionie napływający gaz może czasami znaleźć drogę do supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w samym centrum. Gdy Sgr A* żywi się tym materiałem, emituje rozbłyski rentgenowskie, które rozchodzą się na zewnątrz we wszystkich kierunkach. Rozbłyski te oddziałują z obłokami molekularnymi – obłokami gazu, w których tworzą się gwiazdy – w centrum naszej Galaktyki poprzez proces fluorescencji. Gdy światło rentgenowskie przemieszcza się, oświetla fragmenty obłoków molekularnych w czasie, jak skan rentgenowski.
Fizyczka z Uniwersytetu Connecticut, Danya Alboslani i doktor Samantha Brunker, należące do Laboratorium Drogi Mlecznej kierowanego przez profesor nadzwyczajną fizyki Carę Battersby, opracowały nową metodę tomografii rentgenowskiej do tworzenia trójwymiarowych map dwóch obłoków molekularnych w centrum Galaktyki, nazwanych obłokami „Stone” i „Sticks”. Mapy te są pierwszymi w historii odwzorowaniami obłoków molekularnych centrum Galaktyki w trzech wymiarach przestrzennych. Alboslani szczegółowo opisała te badania w swojej prezentacji podczas 245. spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego 14 stycznia 2025 roku. Artykuł został opublikowany na arXiv tego samego dnia.
Możemy badać procesy zachodzące w Centralnej Strefie Molekularnej (CMZ) Drogi Mlecznej i wykorzystać nasze odkrycia do poznania innych ekstremalnych środowisk. Podczas gdy wiele odległych galaktyk ma podobne środowiska, są one zbyt odległe, aby je szczegółowo zbadać. Dowiadując się więcej o naszej własnej Galaktyce, dowiadujemy się również o tych odległych galaktykach, których nie można zbadać za pomocą dzisiejszych teleskopów – powiedziała Albosani.
Albosani wyjaśniła, że Sgr A* przechodziła w przeszłości okresy intensywnej aktywności, kiedy emitowała rozbłyski rentgenowskie. Nie mieliśmy teleskopów rentgenowskich, gdy te rozbłyski rentgenowskie po raz pierwszy dotarły do Ziemi, jednak światło rentgenowskie oddziaływało z obłokami molekularnymi w CMZ.
Chmura pochłania promieniowanie X pochodzące z Sgr A*, a następnie ponownie emituje promieniowanie rentgenowskie we wszystkich kierunkach. Niektóre z tych promieni rentgenowskich docierają do nas, a istnieje bardzo specyficzny poziom energii, linia 6,4 elektronowolta neutralnego żelaza, która została skorelowana z gęstymi częściami gazu molekularnego – powiedziała Albosani. Jeśli wyobrazimy sobie, że czarna dziura w centrum wytwarza promieniowanie rentgenowskie, które promieniuje na zewnątrz i ostatecznie wchodzi w interakcję z obłokiem molekularnym w CMZ, z czasem podświetli różne części obłoku, więc to, co widzimy, to skanowanie obłoku.
Ponieważ centrum Galaktyki jest wypełnione dużą ilością pyłu, światło widzialne może być przesłonięte, ale promieniowanie rentgenowskie emitowane przez Sgr A* podczas intensywnych zdarzeń akrecyjnych może być widoczne.
Artykuł Albosani skupia się na obłoku Stone, podczas gdy praca Brunker bada obłok Sticks. Ogólna zgodność morfologiczna, a w szczególności powiązania najgęstszych regionów zarówno w danych rentgenowskich, jak i molekularnych, jest uderzająca i po raz pierwszy została pokazana w tak małej skali – powiedziała Brunker.
Albosani i Brunker wykorzystały dane z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra z okresu dwóch dekad do stworzenia modeli 3D obłoków molekularnych Stone i Sticks. Battersby wyjaśniła, że podczas gdy zazwyczaj widzimy tylko dwa wymiary przestrzenne obiektów w przestrzeni, metoda tomografii rentgenowskiej pozwala nam zmierzyć trzeci wymiar obłoku, ponieważ widzimy, jak promieniowanie rentgenowskie oświetla poszczególne wycinki obłoków w czasie. Możemy wykorzystać opóźnienie czasowe między iluminacjami, aby obliczyć trzeci wymiar przestrzenny, ponieważ promienie X poruszają się z prędkością światła – wyjaśniła Battersby.
Albosani i Brunker wykorzystały również dane z Submillimeter Array i Kosmicznego Obserwatorium Herschela, aby porównać struktury widoczne w echach rentgenowskich ze strukturami widocznymi w innych długościach fal. Ponieważ dane rentgenowskie nie są zbierane w sposób ciągły, istnieją pewne struktury widoczne na falach submilimetrowych, które nie są widoczne w promieniowaniu rentgenowskim. Jednak wykorzystano te „brakujące” struktury, aby określić czas trwania rozbłysku rentgenowskiego oświetlającego obłok Stone.
Możemy oszacować rozmiary struktur molekularnych, których nie widzimy w promieniowaniu rentgenowskim – powiedziała Brunker – i na tej podstawie możemy nałożyć ograniczenia na czas trwania rozbłysku rentgenowskiego poprzez modelowanie tego, co byliśmy w stanie zaobserwować dla zakresu długości rozbłysku. Model, który odtworzył obserwacje z podobnej wielkości „brakującymi strukturami” wskazał, że rozbłysk rentgenowski nie mógł być dłuższy niż 4-5 miesięcy.
Pionierskie podejścia, takie jak ta metoda modelowania obłoków molekularnych w 3D, pomagają naukowcom uzyskać więcej informacji na temat warunków prowadzących do powstawania gwiazd.
Podczas gdy wiele dowiadujemy się o obłokach molekularnych z danych zebranych w 2D, dodatkowy trzeci wymiar pozwala na bardziej szczegółowe zrozumienie fizyki narodzin nowych gwiazd – powiedziała Battersby. Ponadto obserwacje te nakładają kluczowe ograniczenia na globalną geometrię centrum naszej Galaktyki, a także na przeszłą aktywność rozbłysków Sgr A*, co stanowi kluczowe otwarte pytanie we współczesnej astrofizyce.
Innym ekscytującym aspektem tej pracy jest to, że przedstawia ona nowy sposób wykorzystanie danych archiwalnych, powiedziała Albosani.
Nowe instrumenty i teleskopy uruchomione w przyszłości zapewnią astronomom wyższą rozdzielczość, umożliwiając nam bardziej szczegółowe badanie obiektów. Możemy jednak również spojrzeć w przeszłość i badać obiekty w dłuższych okresach, aby wydobyć nowe informacje – co właśnie robi ten projekt.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
