Webb obserwował ekstremalnie silne procesy gwiazdotwórcze w Galaktyce Cygaro

Galaktyka Messier 82 (M82) – ze względu na wygląd nazywana jest również Galaktyką Cygarem. W styczniu 2024 roku jej fragment, gdzie w ekstremalnym tempie powstają gwiazdy, został sfotografowany z unikalną rozdzielczością w bliskiej podczerwieni przez Teleskop Webba.

Widziana z boku galaktyka karłowata M82 znajduje się w odległości około 12 milionów l.św. w konstelacji Wielkiej Niedźwiedzicy. Jest ponad dwa razy mniejsza (średnica ~41 tysięcy l.św.), ale przy tym ~5 razy jaśniejsza niż Droga Mleczna – a jej obszar centralny jest ponad 100 razy jaśniejszy od naszej Galaktyki. Jest miejscem zachodzenia bardzo silnych procesów gwiazdotwórczych. W porównaniu do Drogi Mlecznej, w M82 tempo procesów gwiazdotwórczych jest 10 razy większe (około 10 milionów lat temu to tempo wynosiło nawet 80!).

Podobne tzw. galaktyki gwiazdotwórcze charakteryzują się intensywnymi procesami powstawania gwiazd w ich kompleksach obłoków gazowo-pyłowych o skali czasowej ∼100 milionów lat. Taka nadzwyczajna aktywność gwiazdotwórcza przypomina okres w historii Wszechświata od 2 do 3 miliardów lat po Wielkim Wybuchu (kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni z ~ 3-2) zwany „kosmicznym południem”, gdy tempo procesy gwiazdotwórcze osiągnęły maksimum.

Z dotychczasowego modelowania procesów gwiazdotwórczych w M82 wynika, że centralny obszar tej galaktyki o wielkości ~500 pc doświadczył pierwszej fali intensywnych procesów gwiazdotwórczych pomiędzy 8 i 15 milionów lat temu (powstawało wtedy jako gwiazdy ~160 M_ʘ/rok), kolejna fala gwiazdotwórcza trwała pomiędzy 4 – 6 milionów lat temu (powstawało wtedy jako gwiazdy ~40 M_ʘ/rok w obszarze pierścienia wokół jądra M82 i wzdłuż galaktycznej poprzeczki). Natomiast obecnie szacuje się tempo procesów gwiazdotwórczych w tym obszarze na ~12 M_ʘ/rok na podstawie jasności M82 w podczerwieni.

​

Na ilustracji: galaktyka M82 (Galaktyka Cygaro) sfotografowana w 2006 roku przez Teleskop Hubble’a (po lewej). W białym prostokącie zaznaczono obszar centralny tej galaktyki zarejestrowany przez kamerę NIRCam znajdującą się na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Czerwone włókna widoczne na zdjęciu z Teleskopu Webba są emisjami wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (PAH), które rozkładają się wzdłuż kierunku wiatru galaktycznego M82.
Na zdjęciu z Teleskopu Hubble’a kolory czerwony/czerwono-pomarańczowy/zielony/niebieski reprezentują odpowiednio długości fali λλ=0,814/0,658/0,555/0,435 μm, zaś na zdjęciu z Teleskopu Webba czerwony/zielony/niebieski odpowiadają λλ=3,35/2,50/1,64 μm.
Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Bolatto (University of Maryland)

Skarbnica wiedzy o M82

Na zdjęciu z Teleskopu Webba widać całe bogactwo gwiazd i struktur materii międzygwiazdowej w galaktyce M82, które dla astronomów stanowią unikalną wartość badawczą. Kamera NIRCam uchwyciła w bliskiej podczerwieni:
•  Miriady gwiazd: niezliczona liczba białych kropek reprezentuje pojedyncze gwiazdy lub gromady gwiazdowe - co stanowi unikalną bazę danych do badania gwiazdowych populacji w M82.
•  Pozostałości bogate w żelazo: zielone plamki wskazują na obszary bogate w żelazo, które najprawdopodobniej są pozostałościami po wybuchach gwiazd supernowych.
•  Świecące obłoki wodorowe: Czerwonawe plamy wskazują na obszary, w których młode gwiazdy oświetlają otaczające obłoki molekularne.
•  Nowe szczegóły wiatru galaktycznego: Teleskop Webba ujawnił wewnętrzną strukturę wiatru galaktycznego, czyli wielkoskalowego wypływu materii gazowej z galaktyki, wywołanego przez powstawanie gwiazd i wybuchy supernowych. Widać nieobserwowaną do tej pory szczegółową strukturę tego wiatru w postaci czerwonych „kosmków” rozciągające się na zewnątrz od jądra galaktyki.

Web zagląda do wnętrza obszarów gwiazdotwórczych

Zjawisko powstawania gwiazd jest powszechne we Wszechświecie, ale do tej pory było otoczone pewną aurą tajemniczości, ponieważ powstające gwiazdy (tzw. protogwiazdy) są zanurzone w obłokach gazowo-pyłowych, które bardzo wydajnie pochłaniają promieniowanie w zakresie optycznym. Natomiast promieniowanie podczerwone emitowane przez protogwiazdy jest w stanie przeniknąć przez te obłoki. To sprawia, że Teleskop Webba jest idealnym narzędziem do obserwacji wczesnych faz narodzin gwiazd.

Do sfotografowania obszarów M82 o najintensywniejszych procesach gwiazdotwórczych, kamera NIRCam została użyta w trybie, który zapobiega dominacji obrazów bardzo jasnych obiektów na detektorze.

Na zdjęciu w bardziej „krótkofalowym” zakresie bliskiej podczerwieni (długości fali λλ=1,40-2,12μm) widać ciemno-brązowe włókna pyłu rozciągają się od jądra M82 w kolorze białym. Drobne, zielone plamki na tym zdjęciu reprezentują obszary świecące w liniach żelaza, których źródłem najczęściej są pozostałości po wybuchach supernowych. Natomiast czerwone plamy odpowiadają obszarom molekularnego wodoru, który jest ogrzewany przez promieniowanie młodych gwiazd.

Na tym zdjęciu każda pojedyncza, „biała kropka” jest albo gwiazdą, albo gromadą gwiazdową. Astronomowie zamierzają policzyć wszystkie te punktowe źródła światła, aby poznać dokładną liczbę gromad gwiazdowych w tej galaktyce.

​

Na ilustracji: centralny obszar galaktyki M82 (Galaktyka Cygaro), w której zachodzą procesy gwiazdotwórcze o 10-krotnie większym tempie niż w Drodze Mlecznej.
Zdjęcie uzyskane za pomocą kamery NIRCAM i Teleskopu Webba w zakresie długości fali λ=1,40-2,12μm jest tak szczegółowe, że pozwala na rozróżnienie drobnych i jasnych zwartych obiektów, które mogą być gwiazdami lub gromadami gwiazdowymi. Uzyskanie dokładnej liczby pojedynczych gwiazd i gromad gwiazdowych w okolicach centralnych M82 pozwoli astronomom poznać różne fazy procesów gwiazdotwórczych i ich skale czasowe. Na zdjęciu barwom czerwona/zielona/niebieska odpowiadają długości fali λλ=2,12/1,64/1,40 μm. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Bolatto (University of Maryland)

Nieoczekiwane odkrycie - molekuły PAH wskazują na kierunek wiatrów galaktycznych M82

Na zdjęciu okolic jądra M82 w bardziej „długofalowym” zakresie bliskiej podczerwieni (długości fali λλ=1,64-3,35μm) widać czerwone, zagęszczone kosmki rozciągające się powyżej i poniżej płaszczyzny galaktyki. Te gazowe strumienie są wiatrem galaktycznym wypływającym z centrum procesów gwiazdotwórczych.

Jednym z obszarów zainteresowań grupy astronomów badających M82 jest zrozumienie, w jaki sposób powstaje ten wiatr galaktyczny (wywołany przez duże tempo powstawania gwiazd i późniejszych wybuchów supernowych) oraz jaki ma wpływ na otoczenie galaktyczne.

Kamera NIRCam znakomicie nadaje się do śledzenia struktury wiatru galaktycznego poprzez obserwacje emisji pochodzących od wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych PAH (skrót od ang. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons).

PAH są złożonymi molekułami (najprostszą z nich jest naftalina licząca 10 atomów węgla i 8 atomów wodoru, większe molekuły PAH zawierają nawet 50 atomów węgla) i/lub bardzo drobnymi ziarnami pyłu. Przyczyniają się do wychłodzenia ośrodka międzygwiazdowego, poprzez absorpcję promieniowania ultrafioletowego i widzialnego, i następnie wypromieniowanie pochłoniętej energii w dość szerokich pasmach widmowych w średniej podczerwieni. Odgrywają one kluczową rolę w ogrzewaniu neutralnego gazu i prawdopodobnie w powstawaniu molekularnego wodoru (H2).
Uważa się, że emisje w pasmie o długości fali λ~3,3μm są generowane głównie przez małe drobinki neutralnego PAH. Są one niezwykle trwałe. Na przykład są obserwowane bardzo blisko jąder aktywnych galaktyk, ale wysokie temperatury (np. generowane w falach uderzeniowych, promieniowanie rentgenowskie jasnych galaktyk aktywnych, w gwiazdach T Tauri) powodują ich zniszczenie. Dlatego emisje promieniowania pochodzące od PAH są dobrym wskaźnikiem chłodniejszych obszarów ośrodka międzygwiazdowego.

Dużym zaskoczeniem dla astronomów analizujących widok M82 z Teleskopu Webba okazały się emisje PAH, które uwydatniają subtelną strukturę wiatru galaktycznego. Dotychczas ten aspekt pozostawał nieznany. Te emisje wyglądające jak włókna w kolorze czerwonym, rozciągają się od obszaru centralnego, gdzie najintensywniej trwają procesy gwiazdotwórcze.

Innym nieoczekiwanym odkryciem okazała się podobna struktura obszarów emisyjnych PAH i gorącego, zjonizowanego gazu. Astronomowie uważają, że drobinki PAH długo nie przetrwają, gdy są wystawione na silne pole promieniowania. Więc najprawdopodobniej są one uzupełniane przez jakieś procesy – co stanowi wyzwanie dla naszych teorii. Dlatego konieczne się dalsze badania.

​

Na ilustracji: centralny obszar galaktyki M82 (Galaktyka Cygaro), w której zachodzą procesy gwiazdotwórcze o 10-krotnie większym tempem niż w Drodze Mlecznej.
Zdjęcie uzyskane za pomocą kamery NIRCAM i Teleskopu Webba w zakresie długości fali λλ=1,64-3,35μm prezentuje emisje wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (PAH), które śledzą strukturę wiatru gwiazdowego M82. PAH są złożonymi molekułami i/lub bardzo drobnymi ziarnami pyłu, które są niszczone w wysokich temperaturach. Nieoczekiwanie struktura tych emisji jest podobna do rozkładu gorącego i zjonizowanego gazu – co sugeruje, że PAH może być uzupełniana przez ciągłą jonizację molekuł gazu. Na zdjęciu barwom czerwona/zielona/niebieska odpowiadają długości fali λλ=3,35/2,50/1,64 μm. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Bolatto (University of Maryland)

​

Na ilustracji: fragment centralnego obszar galaktyki M82 zwanej też Galaktyką Cygaro (11.5′′x9′′ → 200x160 pc) w barwach czerwona (λ=2,12 μm), zielona (λ=1,64 μm)) i niebieska (λ=1,40 μm) uzyskany za pomocą Teleskopu Webba w konfiguracji z kamerą NIRCAM .
Czarne okręgi (promień=0,2”, czyli 3,5pc) oznaczają pozycje radiowych supernowych. Zielone obszary odpowiadają najprawdopodobniej emisjom w liniach wzbronionego żelaza [FeII], gdzie jest niszczony pył w falach uderzeniowych supernowych. Bardzo czerwone plamki pochodzą od emisji z molekuł H2 i ich powstanie zwykle jest powiązane z falami uderzeniowymi.
Źródło: arXiv:2401.16648 [astro-ph.GA]

Opracowanie: Ryszard Biernikowicz

Więcej informacji:

• (publikacja naukowa – zaakceptowana do publikacji w Ap.J.) → JWST Observations of Starbursts: Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Emission at the Base of the M 82 Galactic Wind
•  NASA's Webb Probes an Extreme Starburst Galaxy
•  NASA's Webb Telescope Unveils a Hidden City of Stars in Messier 82
•  NASA’s JWST probes an extreme starburst galaxy 

Źródło:  NASA, ESA, CSA, STScI

Na ilustracji: galaktyka M82 (Galaktyka Cygaro) sfotografowana w 2006 roku w zakresie optycznym przez Teleskop Hubble’a (po lewej) oraz w 2024 roku przez Teleskop Webba w bliskiej podczerwieni (po prawej). Czerwone włókna widoczne na zdjęciu z Teleskopu Webba są emisjami wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (PAH), które rozkładają się wzdłuż kierunku wiatru galaktycznego M82. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Bolatto (University of Maryland)