Nauki ścisłe [2020-11-17]

Sukces astronomów: siedem nowych kosmicznych maserów

— Żaneta Kopczyńska

Toruńscy astronomowie z sukcesem ukończyli przegląd płaszczyzny Drogi Mlecznej. Szukali chmur gazowych, gdzie występuje wzmocnienie maserowe molekuły OH. Dostrzegli siedem nowych źródeł – każde z nich przybliża naukowców do poznania procesu narodzin masywnych gwiazd. – To jak nasłuchiwanie brzęczenia komara podczas głośnego koncertu – kulisy obserwacji podsumowuje prof. Anna Bartkiewicz.

O sukcesie toruńskiej grupy astronomów można przeczytać w prestiżowym "Astronomy and Astrophysics". To nowo przyjęty artykuł "A search for the OH 6035 MHz line in high-mass star-forming regions" autorstwa naukowców Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK: prof. dr. hab. Mariana Szymczaka, dr. Pawła Wolaka, dr hab. Anny Bartkiewicz, prof. UMK oraz doktorantów: mgr. Michała Durjasza i mgr Mirosławy Aramowicz z Uniwersytetu Wrocławskiego.

Publikacja jest efektem wielomiesięcznych obserwacji promieniowania dochodzącego z płaszczyzny Drogi Mlecznej, a dokładnie z ramion spiralnych naszej galaktyki, gdzie gromadzi się dużo materii, gazu i pyłu. To właśnie w takich warunkach rodzą się masywne gwiazdy.

Tajemnicze narodziny

Powstawanie gwiazd o dużej masie jest skomplikowanym procesem, dużo słabiej poznanym przez naukowców niż powstawanie gwiazd typu słonecznego. Masywnej gwiazdy w jej wczesnym etapie ewolucji nie da się zobaczyć – naukowcy nie mają narzędzi o odpowiedniej rozdzielczości, obszary te znajdują się w odległości ponad 10000 lat świetlnych (rok świetlny to odległość jaką pokonuje światło w próżni w ciągu jednego roku – przyp. red.), są to też zbyt gęste obszary, by światło mogło do nas dotrzeć. Do dyspozycji pozostają więc astronomom jedynie radioteleskopy.

Młodą gwiazdę lub dopiero tę rodzącą się otacza kokon materii, możemy mówić wręcz o prawdziwej chemicznej "fabryce". Znajdziemy w niej olbrzymią ilość cząsteczek, w tym m.in. wodę lub najprostszy alkohol, jakim jest metanol  – wyjaśnia prof. Anna Bartkiewicz.

W gazowo-pyłowych chmurach wokół rodzącej się gwiazdy dochodzi do emisji maserowej. Można to porównać do wskaźnika laserowego. Z tym, że laser emituje światło, a maser mikrofale. I to właśnie promieniowanie są w stanie zaobserwować astronomowie.

– Różne rodzaje cząsteczek wysyłają fale radiowe o właściwych sobie częstotliwościach i właśnie dzięki temu możemy je rozpoznać. Np. cząsteczki metanolu i pary wodnej świecą na częstotliwościach odpowiednio 6,7 GHz i 22 GHz, co przekłada się na długości fal 4,5 cm i 1,3 cm.  Możemy powiedzieć, że widzimy kolory – tłumaczy Michał Durjasz. - Ustawiamy odpowiednią częstotliwość dla danej materii i wówczas jesteśmy w stanie obserwować tylko tę nas interesującą. W naszych ostatnich poszukiwaniach ustawiliśmy częstotliwości na 6,031 GHz i 6,035 GHz, bo właśnie na tej częstotliwości mogliśmy obserwować masery od molekuły OH.

Wcześniej toruński radioteleskop zasłynął w świecie astrofizyków zajmujących się kosmicznymi maserami, odkrywając nowe źródła metanolu. Zespół prof. Mariana Szymczaka w latach 90. skanował Drogę Mleczną "centymetr po centymetrze", tworząc katalog obszarów narodzin masywnych gwiazd. Podobne obserwacje nieba były przeprowadzone też na całym świecie – np. przy użyciu radioteleskopów w Republice Południowej Afryki, Wielkiej Brytanii i Australii. Trzeba zaznaczyć, że toruński ośrodek bardzo się w tej dziedzinie zasłużył – to właśnie w Instytucie Astronomii UMK w Piwnicach zaobserwowano wiele źródeł na północnym niebie, które wcześniej nie zostały odkryte.

Miesiące obserwacji

- Dzisiaj znamy już położenie obszarów gwiazdotwórczych, dlatego możemy skupić się na poszukiwaniach interesującej nas molekuły na odpowiedniej częstotliwości – tłumaczy prof. Bartkiewicz.

Naszą pracę przy użyciu radioteleskopu możemy porównać do nasłuchiwania brzęczenia komara podczas głośnego koncertu. 

Toruńscy naukowcy poświęcili wiele miesięcy na obserwację tych obszarów, poszukując nawet najsłabszych maserów metanolu. Pomysł wypłynął od prof. Mariana Szymczaka. To właśnie on zaproponował, by zmodernizowany odbiornik używany do obserwacji emisji maserowej metanolu 6,7 GHz wykorzystać do obserwacji rodnika OH na częstotliwości 6 GHz.

- Do zebrania danych użyliśmy naszego 32-metrowego radioteleskopu RT-4. Do odbioru fal o tej częstotliwości został użyty nowy odbiornik. Warto podkreślić, że powstał on w Piwnicach, w dawnej Katedrze Radioastronomii, gdzie zbudowali go nasi inżynierowie. Szczególnie zasłużył się mgr Eugeniusz Pazderski, który go zaprojektował – mówi dr Paweł Wolak.  - Odbiorniki na naszych radioteleskopach przypominają częściowo te, które są stosowane w radioodbiornikach domowych, główna różnica polega na tym, że tych domowych nie chłodzimy do bardzo niskich temperatur – nawet do -265 st. C. Taki zabieg na radioteleskopie zdecydowanie polepsza jego sprawność.

Astronomowie wyselekcjonowali z bazy liczącej około tysiąca obszarów gwiazdotwórczych te, które mogły być obserwowane przez radioteleskop w Piwnicach. W sumie kompleksowo przyjrzano się 445 obiektom.

- Była to naprawdę ciężka, systematyczna, często powtarzalna praca, zajmująca dużo czasu i wymagająca cierpliwości. Potrzebny był nie tylko czas, ale też odpowiednie warunki, np. pogoda. I nie chodzi tu o zachmurzone niebo, bo to akurat wcale nie przeszkadza, konieczne było pilnowanie, czy ma się wyłączone wifi w telefonie. Przy tej częstotliwości, wifi na pasmo 5 GHz zaczyna przeszkadzać w obserwacjach – dodaje mgr Durjasz.

Nowe kosmiczne masery

Wielomiesięczne obserwacje 445 obszarów formowania gwiazd zakończyły się sukcesem – astronomowie odkryli, że w 37 z nich widać emisję, czyli znaleźli tam molekułę OH.

- Okazało się, że siedem źródeł jest całkowicie nowych - wcześniej nikt ich nie zobaczył i nie zarejestrował – mówi prof. Bartkiewicz. – Ogólnie nasz sukces detekcji wyniósł  6,9 proc. Mogłoby się wydać, że to niewiele, dla niektórych taki efekt mógłby być zniechęcający. Każde jednak nowe źródło to kolejne możliwości badawcze na drodze do poznania tego, jak rodzą się gwiazdy. Naszą pracę przy użyciu radioteleskopu możemy porównać do nasłuchiwania brzęczenia komara podczas głośnego koncertu. 

Przed torunianami dalsze badanie młodych masywnych gwiazd, zwłaszcza tych nowo odkrytych. Astronomowie planują monitorować zachowanie nowo odkrytej emisji, stworzyć dokładne mapy chmur gazowych i zobaczyć, jak zachowuje się materia wokół rodzącej się gwiazdy. Planowane działania oraz już zgromadzone dane będą istotne dla lepszego zrozumienia warunków fizycznych tych obiektów, dostarczą także informacji o ich polach magnetycznych.

 - Z masywnych gwiazd za jakiś czas powstaną supernowe, czarne dziury, zalążki następnego pokolenia gwiazd bądź pierwiastki jak np. tlen, które są niezbędne do życia takiego, jakie znamy. A my ciągle nie wiemy, jak taka gwiazda się rodzi, nie znamy jej początków. Oczywiście są modele teoretyczne, ale trudno je sprawdzić, dlatego korzystamy z wszelkich dostępnych nam narzędzi i, jak na razie, najlepiej sprawdzają się radioteleskopy – tłumaczy dr Wolak.

Polecamy Raditeleskop live - stronę poświęconą największemu w Polsce radioteleskopowi RT-4 Kopernik