Szczegółowa mapa pyłu w Drodze Mlecznej
Astronomowie stworzyli pierwszą szczegółową mapę 3D właściwości pyłu kosmicznego w naszej rodzimej Galaktyce.
 |
| Wizualizacja zależności wygaszania od długości fali (krzywa wygaszania) spowodowana pyłem, dla płaszczyzny dysku naszej Galaktyki, w odległości 8000 lat świetlnych od Słońca. Kolor czerwony oznacza obszary, w których wygaszanie spada szybciej przy długich falach, a kolor niebieski oznacza, że wygaszanie jest mniej zależne od długości fali. Obszary z niewystarczającymi danymi są pokazane na biało. Szare kontury obejmują obszary o dużej gęstości pyłu. Źródło: X. Zhang/G. Green, MPIA |
Do stworzenia mapy astronomowie wykorzystali 130 milionów widm z misji Gaia, wyniki badania spektralnego LAMOST oraz uczenie maszynowe. Pył kosmiczny sprawia, że odległe obiekty astronomiczne wydają się bardziej czerwone i ciemniejsze niż są w rzeczywistości, więc nowa mapa będzie ważnym narzędziem dla astronomów, aby nadać sens ich obserwacjom. Badania ujawniły również niezwykłe właściwości pyłu kosmicznego, które doprowadzą do dalszych badań. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Science.
Kiedy obserwujemy odległe obiekty niebieskie, istnieje pewien haczyk: Czy obserwowana przeze mnie gwiazda jest rzeczywiście tak czerwona, jak się wydaje? A może gwiazda wygląda tylko na czerwoną, ponieważ jej światło musiało przejść przez chmurę pyłu kosmicznego, aby dotrzeć do naszego teleskopu? Aby prowadzić dokładne obserwacje, astronomowie muszą znać ilość pyłu znajdującego się pomiędzy nimi a odległymi obiektami. Pył nie tylko sprawia, że obiekty wydają się czerwone (poczerwienienie), ale także sprawia, że wydają się one słabsze, niż są w rzeczywistości (ekstynkcja). To tak, jakbyśmy patrzyli w kosmos przez brudne okno. Teraz dwóch astronomów z Instytutu Astronomii Maxa Plancka opublikowało mapę 3D Drogi Mlecznej, która dokumentuje właściwości pyłu wokół nas z niespotykaną dotąd szczegółowością, pomagając nam zrozumieć to, co obserwujemy.
Na szczęście, za tym kryje się fakt, że patrząc na gwiazdy, istnieje sposób na odtworzenie efektu pyłu. Cząsteczki pyłu kosmicznego nie absorbują i nie rozpraszają światła równomiernie na wszystkich długościach fal. Zamiast tego absorbują one światło silniej przy krótszych długościach fal (w kierunku niebieskiego końca widma), a słabiej przy dłuższych długościach fal (w kierunku czerwonego końca). Zależność od długości fali można wykreślić jako krzywą ekstynkcji, a jej kształt dostarcza informacji nie tylko o składzie pyłu, ale także o jego lokalnym środowisku, takim jak ilość i właściwości promieniowania w różnych regionach przestrzeni międzygwiazdowej.
Pozyskiwanie informacji o pyle ze 130 milionów widm
Jest to rodzaj informacji wykorzystywanych przez Xiangyu Zhanga, doktoranta w Instytucie Astronomii Maxa Plancka (MPIA), oraz Gregory’ego Greena, niezależnego lidera grupy badawczej (Sofia Kovalevskaja Group) w MPIA i doradcę Zhanga, do skonstruowania najbardziej szczegółowej jak dotąd mapy 3D właściwości pyłu w galaktyce Drogi Mlecznej. Zhang i Green wykorzystali dane z misji Gaia, która przez 10,5 roku miała na celu uzyskanie niezwykle dokładnych pomiarów pozycji, ruchów i dodatkowych właściwości dla ponad miliarda gwiazd w Drodze Mlecznej i u naszych najbliższych sąsiadów, Obłoków Magellana. Trzecia seria danych (DR3) misji Gaia, opublikowana w czerwcu 2022 roku, zawiera 220 milionów widm, a kontrola jakości wykazała, że około 130 milionów z nich nadaje się do poszukiwania pyłu.
Widma Gaia mają niską rozdzielczość, co oznacza, że sposób, w jaki rozdzielają światło na różne obszary długości fali, jest stosunkowo zgrubny. Obaj astronomowie znaleźli sposób na obejście tego ograniczenia: Dla 1% wybranych przez nich gwiazd istnieje spektroskopia o wysokiej rozdzielczości z badania LAMOST prowadzonego przez Chińskie Narodowe Obserwatoria Astronomiczne. Dostarcza to wiarygodnych informacji na temat podstawowych właściwości danych gwiazd, takich jak ich temperatury powierzchniowe, które określają to, co astronomowie nazywają typem widmowym gwiazdy.
Rekonstrukcja mapy 3D
Zhang i Green wytrenowali sieć neuronową do generowania modelowych widm w oparciu o właściwości gwiazdy i właściwości otaczającego ją pyłu. Porównali wyniki ze 130 milionami odpowiednich widm z Gaia i wykorzystali techniki statystyczne, aby wywnioskować właściwości pyłu między nimi a tymi 130 milionami gwiazd.
Wyniki pozwoliły astronomom zrekonstruować pierwszą szczegółową, trójwymiarową mapę krzywej ekstynkcji pyłu w Drodze Mlecznej. Mapa ta była możliwa dzięki pomiarowi przez Zhanga i Greena krzywej ekstynkcji w kierunku bezprecedensowej liczby gwiazd – 130 milionów, w porównaniu do poprzednich prac, które zawierały około 1 miliona pomiarów.
Ale pył nie jest tylko utrapieniem dla astronomów. Jest on ważny dla formowania się gwiazd, które zachodzi w gigantycznych obłokach gazowych, chronionych przez pył przed otaczającym promieniowaniem. Gdy tworzą się gwiazdy, otaczają je dyski gazu i pyłu, które są miejscem narodzin planet. Same ziarna pyłu są budulcem tego, co ostatecznie stanie się ciałami stałymi planet takich, jak Ziemia. W rzeczywistości w ośrodku międzygwiazdowym naszej Galaktyki większość pierwiastków cięższych niż wodór i hel jest zamknięta w ziarnach pyłu międzygwiezdnego.
Nieoczekiwane właściwości pyłu kosmicznego
Nowe wyniki nie tylko tworzą dokładną mapę 3D. Ujawniły one również zaskakującą właściwość obłoków pyłu międzygwiazdowego. Wcześniej oczekiwano, że krzywa ekstynkcji powinna stać się bardziej płaska (mniej zależna od długości fali) dla regionów o większej gęstości pyłu. Większa gęstość to oczywiście w tym przypadku wciąż bardzo niewiele: około dziesięciu miliardowych grama na metr sześcienny, co odpowiada zaledwie 10 kg pyłu w kuli o promieniu Ziemi. W takich regionach ziarna pyłu mają tendencję do powiększania się, co zmienia ogólne właściwości absorpcyjne.
Zamiast tego astronomowie odkryli, że w obszarach o średniej gęstości krzywa wygaszenia staje się faktycznie bardziej stroma, a mniejsze długości fal są pochłaniane znacznie skuteczniej niż dłuższe. Zhang i Green przypuszczają, że stromość może być spowodowana wzrostem nie pyłu, ale klasy cząsteczek zwanych wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi (WWA), najbardziej rozpowszechnionymi węglowodorami w ośrodku międzygwiazdowym, które mogły nawet odegrać rolę w powstaniu życia. Naukowcy postanowili już przetestować swoją hipotezę za pomocą przyszłych obserwacji.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
