Νήμα υδρογόνου μήκους 3.900 ετών φωτός

Πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, το Σύμπαν μας γεννήθηκε σε μια τεράστια έκρηξη που προκάλεσε τα πρώτα υποατομικά σωματίδια και τους νόμους της φυσικής όπως τους γνωρίζουμε. Περίπου 370.000 χρόνια αργότερα, είχε σχηματιστεί το υδρογόνο, το δομικό στοιχείο των αστεριών, που συντήκουν υδρογόνο και ήλιο στο εσωτερικό τους για να δημιουργήσουν όλα τα βαρύτερα στοιχεία. Ενώ το υδρογόνο παραμένει το πιο διάχυτο στοιχείο στο σύμπαν, μπορεί να είναι δύσκολο να ανιχνευθούν μεμονωμένα νέφη αερίου υδρογόνου στο διαστρικό μέσο (ISM).

Αυτό καθιστά δύσκολη την έρευνα των πρώιμων φάσεων του σχηματισμού των άστρων, που θα πρόσφεραν ενδείξεις για την εξέλιξη των γαλαξιών και του σύμπαντος. Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής αστρονόμους από το Ινστιτούτο Αστρονομίας Max Planck (MPIA) πρόσφατα παρατήρησε ένα τεράστιο νήμα ατομικού αερίου υδρογόνου στον γαλαξία μας. Αυτή η δομή, που ονομάζεται «Maggie», βρίσκεται περίπου 55.000 έτη φωτός μακριά (στην άλλη πλευρά του Γαλαξίας) και είναι μια από τις μεγαλύτερες δομές που έχουν παρατηρηθεί ποτέ στον γαλαξία μας.

Η μελέτη που περιγράφει τα ευρήματά τους, τα οποία δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Αστρονομία & Αστροφυσική, είχε επικεφαλής τον Jonas Syed, Ph.D. φοιτητής στο MPIA. Μαζί του συμμετείχαν ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Βιέννης, το Κέντρο Αστροφυσικής Harvard-Smithsonian (CfA), ο Ινστιτούτο Ραδιοαστρονομίας Max Planck (MPIFR), το Πανεπιστήμιο του Κάλγκαρι, το Universität Heidelberg, το Κέντρο Αστροφυσικής και Πλανητικής Επιστήμης, ο Argelander-Institute for Astronomy, το Ινδικό Ινστιτούτο Επιστημών και NASAΕργαστήριο Jet Propulsion’s (JPL).

Η έρευνα βασίζεται σε δεδομένα που συγκεντρώθηκαν από την Έρευνα γραμμής ανασυνδυασμού HI/OH/Γαλαξίας (THOR), ένα πρόγραμμα παρατήρησης που βασίζεται στο Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) στο Νέο Μεξικό. Χρησιμοποιώντας τα ραδιοφωνικά πιάτα κυμάτων εκατοστών του VLA, αυτό το έργο μελετά το σχηματισμό μοριακού νέφους, τη μετατροπή του ατομικού σε μοριακό υδρογόνο, το μαγνητικό πεδίο του γαλαξία και άλλα ερωτήματα που σχετίζονται με το ISM και το σχηματισμό άστρων.

Ο απώτερος σκοπός είναι να προσδιοριστεί πώς τα δύο πιο κοινά ισότοπα υδρογόνου συγκλίνουν για να δημιουργήσουν πυκνά σύννεφα που αναδύονται σε νέα αστέρια. Τα ισότοπα περιλαμβάνουν ατομικό υδρογόνο (Η), που αποτελείται από ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και όχι νετρόνια, και μοριακό υδρογόνο (Η₂) αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου που συγκρατούνται μεταξύ τους με ομοιοπολικό δεσμό. Μόνο το τελευταίο συμπυκνώνεται σε σχετικά συμπαγή σύννεφα που θα αναπτύξουν παγωμένες περιοχές όπου τελικά αναδύονται νέα αστέρια.

Αυτή η εικόνα δείχνει ένα τμήμα της πλάγιας όψης του Γαλαξία, όπως μετρήθηκε από τον δορυφόρο Gaia της ESA. Η σκοτεινή ζώνη αποτελείται από αέριο και σκόνη, που μειώνει το φως από τα ενσωματωμένα αστέρια. Το Γαλαξιακό Κέντρο του Γαλαξία μας υποδεικνύεται στα δεξιά της εικόνας, λάμποντας έντονα κάτω από τη σκοτεινή ζώνη. Το πλαίσιο στα αριστερά της μέσης σηματοδοτεί τη θέση του νήματος “Maggie”. Δείχνει την κατανομή του ατομικού υδρογόνου. Τα χρώματα δείχνουν διαφορετικές ταχύτητες του αερίου. Πίστωση: ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO & T. Müller/J. Syed/MPIA

Η διαδικασία του τρόπου με τον οποίο το ατομικό υδρογόνο μεταβαίνει σε μοριακό υδρογόνο είναι ακόμη σε μεγάλο βαθμό άγνωστη, γεγονός που έκανε αυτό το εξαιρετικά μακρύ νήμα ένα ιδιαίτερα συναρπαστικό εύρημα. Ενώ τα μεγαλύτερα γνωστά νέφη μοριακού αερίου έχουν συνήθως μήκος περίπου 800 έτη φωτός, το Maggie έχει μήκος 3.900 έτη φωτός και πλάτος 130 έτη φωτός. Όπως εξήγησε ο Syed σε πρόσφατο MPIA δελτίο τύπου:

“Η θέση αυτού του νήματος συνέβαλε σε αυτήν την επιτυχία. Δεν γνωρίζουμε ακόμη πώς ακριβώς έφτασε εκεί. Αλλά το νήμα εκτείνεται περίπου 1600 έτη φωτός κάτω από το επίπεδο του Γαλαξία. Οι παρατηρήσεις μας επέτρεψαν επίσης να προσδιορίσουμε την ταχύτητα του αερίου υδρογόνου. Αυτό μας επέτρεψε να δείξουμε ότι οι ταχύτητες κατά μήκος του νήματος ελάχιστα διαφέρουν.”

Η ανάλυση της ομάδας έδειξε ότι η ύλη στο νήμα είχε μέση ταχύτητα 54 km/s^-1, το οποίο προσδιόρισαν κυρίως μετρώντας το σε σχέση με την περιστροφή του δίσκου του Γαλαξία. Αυτό σήμαινε ότι η ακτινοβολία σε μήκος κύματος 21 cm (γνωστός και ως το”γραμμή υδρογόνου“) ήταν ορατή στο κοσμικό υπόβαθρο, κάνοντας τη δομή ευδιάκριτη. «Οι παρατηρήσεις μας επέτρεψαν επίσης να προσδιορίσουμε την ταχύτητα του αερίου υδρογόνου», δήλωσε ο Henrik Beuther, επικεφαλής του THOR και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Αυτό μας επέτρεψε να δείξουμε ότι οι ταχύτητες κατά μήκος του νήματος ελάχιστα διαφέρουν».

Αυτή η εικόνα ψευδούς χρώματος δείχνει την κατανομή του ατομικού υδρογόνου μετρημένη σε μήκος κύματος 21 cm. Η κόκκινη διακεκομμένη γραμμή διαγράφει το νήμα “Maggie”. Πίστωση: J. Syed/MPIA

Από αυτό, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η Maggie είναι μια συνεκτική δομή. Αυτά τα ευρήματα επιβεβαίωσαν τις παρατηρήσεις που έγιναν ένα χρόνο πριν από τον Juan D. Soler, έναν αστροφυσικό του Πανεπιστημίου της Βιέννης και συν-συγγραφέα της εργασίας. Όταν παρατήρησε το νήμα, το ονόμασε από τον μεγαλύτερο ποταμό στην πατρίδα του την Κολομβία: το Río Magdalena (Αγγλικά: Margaret, ή «Maggie»). Ενώ η Maggie ήταν αναγνωρίσιμη στην προηγούμενη αξιολόγηση των δεδομένων THOR από τον Soler, μόνο η τρέχουσα μελέτη αποδεικνύει χωρίς αμφιβολία ότι πρόκειται για μια συνεκτική δομή.

Με βάση προηγούμενα δημοσιευμένα δεδομένα, η ομάδα υπολόγισε επίσης ότι το Maggie περιέχει 8% μοριακό υδρογόνο κατά κλάσμα μάζας. Σε πιο προσεκτική επιθεώρηση, η ομάδα παρατήρησε ότι το αέριο συγκλίνει σε διάφορα σημεία κατά μήκος του νήματος, γεγονός που τους οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το αέριο υδρογόνο συσσωρεύεται σε μεγάλα σύννεφα σε αυτές τις θέσεις. Περαιτέρω εικάζουν ότι το ατομικό αέριο θα συμπυκνωθεί σταδιακά σε μοριακή μορφή σε αυτά τα περιβάλλοντα.

“Ωστόσο, πολλά ερωτήματα παραμένουν αναπάντητα”, πρόσθεσε ο Syed. «Πρόσθετα δεδομένα, τα οποία ελπίζουμε ότι θα μας δώσουν περισσότερες ενδείξεις για το κλάσμα του μοριακού αερίου, περιμένουν ήδη να αναλυθούν». Ευτυχώς, αρκετά διαστημικά και επίγεια παρατηρητήρια θα τεθούν σε λειτουργία σύντομα, τηλεσκόπια που θα είναι εξοπλισμένα για τη μελέτη αυτών των νημάτων στο μέλλον. Αυτά περιλαμβάνουν το Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) και ραδιοφωνικές έρευνες όπως το Συστοιχία τετραγωνικών χιλιομέτρων (SKA), το οποίο θα μας επιτρέψει να δούμε την πιο πρώιμη περίοδο του Σύμπαντος (“Κοσμική Αυγή”) και τα πρώτα αστέρια στο Σύμπαν μας.

Αναρτήθηκε αρχικά στις Σύμπαν σήμερα.

Για περισσότερα σχετικά με αυτήν την έρευνα, βλ Ογκώδης δομή νήματος – μήκους 3900 ετών φωτός – ανακαλύφθηκε στον Γαλαξία.

Αναφορά: «The “Maggie” fiament: Physical ιδιότητες of a giant atomic cloud” των J. Syed, J. D. Soler, H. Beuther, Y. Wang, S. Suri, J. D. Henshaw, M. Riener, S. Bialy, S. Rezaei Kh., JM Stil, PF Goldsmith, MR Rugel, SCO Glover, RS Klessen, J. Kerp, JS Urquhart, J. Ott, N. Roy, N. Schneider, RJ Smith, SN Longmore and H. Linz, 20 Δεκεμβρίου 2021, Αστρονομία & Αστροφυσική.
DOI: 10.1051/0004-6361/202141265