Portal informacyjny
Nauki ścisłe
Protogwiazda w spiralnych ramionach
Międzynarodowy zespół astronomów, którego częścią jest troje badaczy związanych z UMK, uzyskał mapę dysku protogwiazdowego o największej znanej dziś precyzji. Odkrycie dostarcza dowodów przewidywanych przez teorię akrecji epizodycznej.
Pracę doceniło czasopismo "Nature Astronomy", na którego łamach ukazał się właśnie artykuł "A Keplerian disk with a four-arm spiral birthing an episodically accreting high-mass protostar". Wśród autorów – międzynarodowego grona astronomów specjalizujących się w obserwacjach emisji maserów – znalazło się troje badaczy związanych z Instytutem Astronomii na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK: dr hab. Anna Bartkiewicz, prof. UMK, mgr Michał Durjasz, którzy należą również do Centrum Doskonałości IDUB Astronomia i Astrofizyka, oraz dr Mateusz Olech, który obronił doktorat na Wydziale, a obecnie należy do zespołu Centrum Diagnostyki Radiowej Środowiska Kosmicznego w Uniwersytecie Warmińsko-Mazurskim w Olsztynie.
Zbiorowy wysiłek
Dr hab. Anna Bartkiewicz, prof. UMK w swojej pracy naukowej zajmuje się badaniem obiektów gwiazdotwórczych wykazujących pierścieniową strukturę masera metanolu. Przy pomocy Europejskiej Sieci Wielkobazowej (EVN) precyzyjnie określa ruchy własne obłoków maserowych na poziomie kilku kilometrów na sekundę. Obecnie kieruje grantem Opus Narodowego Centrum Nauki "Kosmiczne masery jako narzędzie identyfikacji wybuchów akrecyjnych masywnych protogwiazd". Duży wkład w badania miał także mgr Michał Durjasz, doktorant w Szkole Doktorskiej Nauk Ścisłych i Przyrodniczych UMK, zajmujący się obszarami masywnych gwiazd, w których dochodzi do gwałtownych zmian emisji maserowej metanolu oraz dr Mateusz Olech, naukowo interesujący się obszarami gwiazdotwórczymi oraz okresowymi zmianami maserów metanolu wokół masywnych protogwiazd.
Artykuł, a przede wszystkim poprzedzające go badania, to efekt udanej współpracy ekspertów z całego świata.
Do naszego odkrycia przyczyniły się dane obserwacyjne pozyskane z 24 teleskopów radiowych z całego świata, które były następnie starannie skorelowane przez zespoły w trzech centrach na trzech różnych kontynentach – tłumaczy dr Ross Burns z National Astronomical Observatory of Japan, pierwszy autor artykułu. – W działania zaangażowanych było ok. 150 osób, którym chcielibyśmy wyrazić wdzięczność za ich wysiłek, licząc na dalszą współpracę w przyszłości.
Tajemnice gwiazd
Badacze skupili się na obserwacjach masywnych gwiazd, czyli takich o masie powyżej ośmiu mas Słońca. Pełnią one kluczową rolę w produkcji pierwiastków niezbędnych do zbudowania życia we Wszechświecie, a także wpływają na kształtowanie i ewolucję galaktyk. Najbardziej masywne gwiazdy, umierając, stają się enigmatycznymi czarnymi dziurami.
Pomimo ich znaczenia we Wszechświecie, przez wiele dziesięcioleci proces powstawania masywnych gwiazd spowijała tajemnica.
Do tej pory nie ma jednej, akceptowanej przez całe środowisko naukowe teorii wyjaśniającej ich powstanie – tłumaczy prof. Anna Bartkiewicz. – Dopiero niedawno potwierdzono, że gwiazdy masywne rodzą się w centrach obracających się dysków złożonych z gazu i pyłu. Dyski protogwiazdowe – bo tak je nazywamy – mają promień o rozmiarze ok. tysiąca jednostek astronomicznych – czyli średnia odległość Ziemi od Słońca pomnożona razy tysiąc [jednostka astronomiczna, czyli umowna miara odległości stosowana w astronomii, to średnia odległość Ziemi od Słońca; wynosi 149597870,7 km – przyp. red.].
Jedną z teorii powstawania masywnych gwiazd, która staje się coraz bardziej popularna wśród naukowców, jest epizodyczna akrecja.
Akrecja, czyli opad materii na gwiazdę. Polega ona na tym, że obłoki pyłowego gazu od czasu do czasu "odrywają się" i opadają z dysku na rosnącą protogwiazdę, czyli młodą gwiazdę ulokowaną w centrum – tłumaczy mgr Michał Durjasz. – W czasie takich gwałtownych wzrostów tempa zbierania materii gwiazda gromadzi ponad połowę masy, którą zyskuje na etapie formowania. Te gwałtowne skoki tempa akrecji, czyli epizodyczna akrecja właśnie, są zdarzeniami bardzo rzadkimi: pojawiają się co setki lub tysiące lat i trwają od kilku miesięcy do kilku lat.
Do tej pory astronomowie byli świadkami tylko kilku takich zjawisk. Najnowszym i najdokładniej zbadanym był gwałtowny wzrost akrecji masywnej protogwiazdy G358-MM1 (nazwa związana jest ze współrzędnymi obiektu na niebie) w 2019 r.
– Teoria akrecji epizodycznej sugeruje, że dyski protogwiazdowe są masywne i niejednorodne. W skutek wpływu jego własnej grawitacji mogą się w nich pojawiać ramiona spiralne – dodaje dr Mateusz Olech. – Już sama obserwacja dysków protogwiazdowych w obszarach narodzin masywnych gwiazd jest wyzwaniem dla astronomów – powstają one w gęstych obłokach molekularnych, które są nieprzenikalne dla konwencjonalnej astronomii optycznej. Podgląd ewentualnych ramion spiralnych jest jeszcze trudniejszym zadaniem.
Mapa dysku
W najnowszej publikacji "Nature Astronomy" międzynarodowy zespół astronomów specjalizujących się w obserwacjach emisji masera – który jest naturalnie powstającym, kosmicznym odpowiednikiem lasera na radiowych falach mikrofalowych – był w stanie uzyskać mapy dysku protogwiazdowego o największej znanej dziś precyzji. Korzystając z sieci radioteleskopów, tzw. interferometrii wielkobazowej (VLBI) naukowcy odkryli ramiona spiralne w obracającym się dysku protogwiazdy o dużej masie – G358-MM1. Jest to ta sama protogwiazda, która doświadczyła gwałtownego wzrostu w 2019 r.
Zespół zastosował nową technikę zwaną "mapowaniem fali cieplnej", w której wykonuje się zestaw map pojaśnionych maserów molekuł metanolu na różnych etapach zdarzenia. W sumie użyto 24 radioteleskopów z Oceanii, Azji, Europy i Ameryki. Pozwoliło to na uzyskanie obrazu dysku spiralnego G358-MM1 z rozdzielczością jednej milisekundy kątowej, tj. 1/3600000 stopnia – wyjaśnia prof. Bartkiewicz. – G358-MM1 ma cztery ramiona spiralne, które owijają się wokół protogwiazdy. Pomagają one w przenoszeniu materiału z dysku do środka układu, gdzie może on dotrzeć do protogwiazdy. Jeśli więcej układów spiralnych i tego typu pojaśnień zostanie odkrytych, astronomowie będą w stanie lepiej zrozumieć procesy, towarzyszące narodzinom gwiazd o dużej masie, które są prawdziwą kolebką życia we Wszechświecie.
Odkrycie dostarcza obserwacyjnych dowodów na istnienie kilku aspektów, przewidywanych przez teorię akrecji epizodycznej: obracający się dysk, gwałtowne pojaśnienia i strukturę spiralną, która pomaga "karmić" rosnącą protogwiazdę o dużej masie. Zespół będzie kontynuował poszukiwania takich wybuchów emisji maserowej, korzystając z globalnej współpracy tradycyjnych radioteleskopów, zwanej Maser Monitoring Organization. Jak dotąd zaobserwowano tylko trzy gwałtowne pojaśnienia protogwiazd o dużej masie, jednak badacze mają nadzieję znaleźć ich znacznie więcej.
