Odkrycie ramion spiralnych dysku akrecyjnego wokół masywnej protogwiazdy

 A Keplerian disk with a four-arm spiral birthing an episodically accreting high-mass protostar

Masywne gwiazdy to gwiazdy 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 tłumaczącej, jak powstają masywne gwiazdy. Dopiero niedawno potwierdzono, że rodzą się one w centrach obracających się dysków złożonych z gazu i pyłu. Dyski protogwiazdowe – bo tak je nazywamy – mają promień około 1000 jednostek astronomicznych (czyli około 1000 razy więcej niż odległość, w jakiej Ziemia okrąża Słońce).

Jedną z teorii powstawania masywnych gwiazd, która staje się coraz bardziej popularna wśród naukowców jest teoria „epizodycznej akrecji” (akrecja – czyli opad materii na gwiazdę). Polega ona na tym, że obłoki pyłowego gazu od czasu do czasu odrywaja się I opadają z dysku na rosnącą protogwiazdę czyli młodą gwiazdę ulokowaną w centrum.  W czasie takich gwałtownych wzrostów tempa zbierania materii gwiazda zbiera 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 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 roku.

Teoria akrecji epizodycznej sugeruje, że dyski protogwiazdowe są masywne i niejednorodne, przez co wskutek wpływu jego własnej grawitacji mogą się w nich pojawiać ramiona spiralne. 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.

W nowej 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) zespół odkrył ramiona spiralne w obracającym się dysku protogwiazdy o dużej masie o nazwie G358-MM1. Jest to ta sama protogwiazda, która doświadczyła gwałtownego wzrostu w 2019 roku.

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 25 radioteleskopów z Oceanii, Azji, Europy i Ameryki. Pozwoliło to na uzyskanie obrazu dysku spiralnego G358-MM1 z rozdzielczością 1 milisekundy kątowej (1/3600000 stopnia)!

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 (M2O https://www.masermonitoring.com/). Jak dotąd zaobserwowano tylko trzy gwałtowne pojaśnienia protogwiazd o dużej masie, jednak zespół ma nadzieję znaleźć znacznie więcej.

Polscy badacze zaangażowani w badania:

Dr hab. Anna Bartkiewicz, prof. UMK z Instytutu Astronomii UMK bada obiekty gwiazdotwórcze, które wykazują pierścieniową strukturę masera metanolu. Przy pomocy Europejskiego Sieci Wielkobazowej (EVN) precyzyjnie określa przesunięcia się obłoków na poziomie kilku km na sekundę.

Dr Mateusz Olech zajmuje się badaniami obszarów gwiazdotwórczych i okresowymi zmianami maserów metanolu wokół masywnych protogwiazd. Od 2020 roku jest pracownikiem Centrum Diagnostyki Radiowej Środowiska Kosmicznego Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskego w Olsztynie.

Mgr Michał Durjasz jest doktorantem w Szkole Doktorskiej Nauk Ścisłych i Przyrodniczych UMK. Zajmuje się obszarami masywnych gwiazd, gdzie dochodzi do gwałtownych zmian emisji maserowej metanolu.

Praca była wynikiem współpracy poniższych instytucji: Mizusawa VLBI Observatory, National Astronomical Observatory of Japan; Korea Astronomy and Space Science Institute; Department of Physics, National Chung Hsing University, Taiwan; NARIT, Thailand; National Radio Astronomy Observatory , USA; Department of Physics, Faculty of Science, University of Malaya; Joint Institute for VLBI ERIC, The Netherlands; Center for Astronomy, Ibaraki University, Japan; SOKENDAI, Japan; University of Science and Technology, Korea; Ventspils International Radio Astronomy Center, Latvia; Radio Astronomy and Geodynamics Department of Crimean Astrophysical Observatory, Ukraine; Institute of Astronomy, Nicolaus Copernicus University, Poland; Space Radio-Diagnostic Research Center, University of Warmia and Mazury, Poland; INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte Napoli, Italy; Ural Federal University, Russia; Thüringer Landessternwarte, Germany; Australia Telescope National Facility, CSIRO, Australia; NRC Herzberg Astronomy and Astrophysic, Canada; INAF Osservatorio Astronomico di Cagliari, Italy; Department of Physical Sciences, The Open University of Tanzania; Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory, South Africa; Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany, Space Research Unit, Physics Department, North West University, South Africa; Department of Physics and Astronomy, Faculty of Physical Sciences, University of Nigeria; INAF - Istituto di Radioastronomia & Italian ALMA Regional Centre, Bologna, Italy; School of Natural Sciences, University of Tasmania, Australia; Departamento de Astronomía, Universidad de Guanajuato, Mexico; INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Italy; SKA Observatory, Jodrell Bank, UK; Center for Astrophysics, GuangZhou University, China; Shanghai Astronomical Observatory, China.

Artykuł A Keplerian disk with a four-arm spiral birthing an episodically accreting high-mass protostar, dostępny w Internecie na stronie: https://www.nature.com/articles/s41550-023-01899-w, opublikował zespół badaczy:

R. A. Burns, Y. Uno, N. Sakai, J. Blanchard, Z. Fazil, G. Orosz, Y. Yonekura, Y. Tanabe, K. Sugiyama, T. Hirota, Kee-Tae Kim, A. Aberfelds, A. E. Volvach, A. Bartkiewicz, A. Caratti o Garatti, A. M. Sobolev, B. Stecklum, C. Brogan, C. Phillips, D. A. Ladeyschikov, D. Johnstone, G. Surcis, G. C. MacLeod, H. Linz, J. O. Chibueze, J. Brand, J. Eislöffel, L. Hyland, L. Uscanga, M. Olech, M. Durjasz, O. Bayandina, S. Breen, S. P. Ellingsen, S. P. van den Heever, T. R. Hunter, X. Chen

DOI: 10.1038/s41550-023-01899-w