Wiadomości

Grupa astronomów z Centrum Astronomii UMK zaobserwowała nieznane dotąd zjawisko naprzemiennej emisji fal radiowych przez cząsteczki metanolu i pary wodnej wokół młodej gwiazdy. Odkrycia dokonano przy użyciu największego polskiego radioteleskopu (RT4) w obserwatorium w Piwnicach koło Torunia, grupą badawczą kierował prof. dr hab. Marian Szymczak.

Obserwowane źródło nosi oznaczenie G107.298+5.639, w skrócie G107. Jest maserem o bardzo zaskakujących właściwościach. Okazuje się być jedynym obiektem dla którego odkryto wyraźne zależności pomiędzy emisjami występującymi w dwóch rodzajach maserów: związanych z wodą i z metanolem.

Fale radiowe generowane są w otoczce wokół bardzo młodej lub powstającej gwiazdy dzięki mechanizmom na jakich działają znane z życia codziennego lasery. Jeśli taki mechanizm spowoduje emisję fal radiowych, to powstaje maser. W obłoku otaczającym rodzącą się gwiazdę mamy do czynienia z "fabryką" chemiczną, w której tworzona jest olbrzymia ilość cząstek chemicznych, w tym najprostszy alkohol, jakim jest metanol, jak i niezbędna do życia woda (w stanie gazowym). Różne rodzaje cząsteczek wysyłają fale radiowe o właściwych sobie częstotliwościach i dzięki temu możemy je rozpoznać. Przykładowo 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.

Masery metanolu i pary wodnej występują w obszarach powstawania masywnych gwiazd. Natężenie ich promieniowania (fal radiowych) jest silnie zależne od warunków fizycznych w których działają, takich jak ilość fotonów podczerwonych, temperatura, gęstość. Dzięki temu, badając masery możemy wyciągnąć wnioski na temat procesów zachodzących w bliskim otoczeniu rodzących się gwiazd. Badania radioastronomiczne dają nam unikatowy wgląd w te obszary, które nie są widoczne w zakresie optycznym ze względu na nieprzezroczyste obłoki gazowo-pyłowe.

- Wygląda to jakby oba zjawiska unikały współistnienia w tym samym czasie, jakby bawiły się w chowanego. Maser metanolowy w G107 świeci przez kilka dni, po czym zanika na ponad 20 dni, a jednocześnie pojawia się rozbłysk masera pary wodnej. Następnie maser na 22 GHz zanika i ponownie pojawia się rozbłysk na 6,7 GHz - wyjaśnia prof. dr hab. Marian Szymczak z Centrum Astronomii UMK, kierujący grupą badawczą.

Szczególnie interesujące są obiekty, w których zmienność maserów metanolowych jest cykliczna (animacja 1). Obecnie znanych jest tylko 16 okresowych maserów metanolowych z czego aż 5 zostało odkrytych przez toruński zespół za pomocą radioteleskopu RT4 w poprzednich latach.

- Obiekt G107 był już znany kiedy zaczęliśmy jego obserwacje w obserwatorium w Piwnicach w sierpniu 2014 r. na 6,7 GHz, czyli na linii metanolu. Wiedzieliśmy wtedy, że występuje tam okresowy maser metanolowy - mówi doktorant Mateusz Olech z Centrum Astronomii UMK, który pracuje nad tematyką zmiennych maserów.

- Dzięki nowo zbudowanemu w Katedrze Radioastronomii odbiornikowi zainstalowanemu na radioteleskopie RT4 możliwe stało się badanie maserów pary wodnej na częstotliwości 22 GHz. Źródło G107 to naturalny kandydat do monitorowania przy pomocy nowego odbiornika. Wcześniejsze doniesienia wskazywały, że nic wyjątkowego w emisji maserowej pary wodnej się tam nie dzieje, ale doniesienia te bazowały na niewielu i do tego niezbyt regularnych obserwacjach. Postanowiłem zatem sprawdzić, czy częste i regularne obserwacje nie ujawnią jakichś okresowości. I opłaciło się! - tłumaczy dr Paweł Wolak, także z Centrum Astronomii UMK.

Po kilkudziesięciu dniach obserwacji, kiedy do dyspozycji była już odpowiednio duża i wiarygodna próbka danych, astronomowie z Torunia zrozumieli, że zarejestrowali zdumiewające i nigdy wcześniej nie obserwowane zjawisko. Wybuchy masera metanolowego przeplatały się z rozbłyskami masera pary wodnej, co przedstawia animacja 2 oraz rysunek 1.

Najbardziej prawdopodobnym wytłumaczeniem cykliczności emisji masera metanolowego jest obecność układu podwójnego (a nie pojedynczej gwiazdy) w centrum gazowo-pyłowego obłoku. Ruch orbitalny gwiazd i przepływy materii powodują okresowe ogrzewanie otaczającego je pyłu, który świecąc w podczerwieni usprawnia działanie masera metanolowego. Mechanizm ten zwany jest przez astronomów "pompowaniem masera".

Masery pary wodnej i metanolu są często spotykane w tych samych obiektach, jednak żadna teoria nie przewidywała jakiejkolwiek zależności między ich jasnościami. Wynika to z faktu, iż masery te są pompowane dzięki dwóm różnym zjawiskom: w przypadku pary wodnej są to fale uderzeniowe, a dla metanolu jest to wspomniane promieniowanie podczerwone pyłu. Dodatkowo, uzyskane dzięki obserwacjom interferometrycznym mapy radiowe pokazują dużą bliskość przestrzenną obłoków metanolu i wody. Fakty te czynią G107 unikatowym laboratorium doświadczalnym umożliwiającym zweryfikowanie teorii dotyczących procesów prowadzących do obserwowanych zjawisk.

Radioźródło G107.298+5.639 zaskoczyło astronomów, gdyż po raz pierwszy wykazano wyraźną zależność między emisją pary wodnej i metanolu. Obecnie jest to jedyny znanym obiekt z taką cechą.

Publikacja przedstawiająca wyniki ukazała się w "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters".

Animacja 1

Cykliczna zmienność masera metanolowego. Dolny panel przedstawia widmo obiektu G107.298+5.639. Jest to zależność natężenia promieniowania (ściślej gęstości strumienia) od prędkości świecących chmur maserowych. Widmo uzyskano przez uśrednienie danych z obserwacji prowadzonych przez ponad 600 dni. Powyżej znajduje się 6 paneli z krzywymi zmian blasku. Każda krzywa przedstawia zmianę jasności wybranej chmury maserowej w czasie (łącznie 17 cykli). Położenie każdego ze składników w widmie pokazane jest poprzez odpowiednie kolory linii.

Dodatkowo każdej krzywej blasku przypisano inny ton dźwięku (łącznie 6). Głośność każdego tonu jest proporcjonalna do amplitudy odpowiadającej mu krzywej blasku. Wyraźnie słychać ciekawy efekt polegający na tym, że tony nie pojawiają się lub znikają jednocześnie. Przed każdym rozbłyskiem tony zaczynają być słyszalne w pewnej kolejności. Podobnie w różnej kolejności zanikają kiedy jasność masera maleje. Zjawisko to nosi nazwę przesunięcia fazowego "phase-lag".

Źródło: Centrum Astronomii UMK.

Animacja 2

Lewa część animacji (zwana widmem dynamicznym) przedstawia zmienność masera metanolowego i wodnego (pary wodnej) w czasie (oś pionowa). Na osi poziomej zaznaczono prędkość radialną, która umożliwia rozróżnienie w otoczce gwiazdy obłoków w których świecą masery, a które poruszają się względem nas z różnymi prędkościami. Kolory "ciepłe" od zielonego do czerwonego reprezentują natężenie świecenia metanolu (zielony - najsłabsze, czerwony - najsilniejsze). Kolory "zimne" od fioletowego do ciemno niebieskiego analogicznie odpowiadają świeceniu wody.

Do 120. dnia nie prowadzono jeszcze obserwacji masera wody, dlatego patrząc od dołu ku górze pojawiają się początkowo jedynie cykliczne rozbłyski masera metanolowego. Po dniu 120 i czwartym cyklu rozbłysku metanolu, zaczyna okresowo pojawiać się i znikać emisja wody. W miarę upływu czasu biała strzałka i przerywana biała linia określają aktualny dzień obserwacji. Data (rok i miesiąc) widoczna nad ramką widma dynamicznego zmienia się z upływem czasu. W celu dodatkowej wizualizacji zmienności natężenia emisji wybrano po jednym obłoku metanolu oraz wody i przypisano im dźwięki (niski dla metanolu i wysoki dla wody) Siła natężenia obu dźwięków odpowiada jasnościom maserów.

W prawej dolnej części obrazu rysowana jest zależność natężenia promieniowania (oś pionowa) od czasu (oś pozioma). W miarę upływu czasu pojawiają się krzywe blasku dla wybranych obłoków: metanolowego (pomarańczowy) i wodnego (niebieski).

W prawej górnej części obrazu widoczna jest mapa nieba, na której pojawiają się obrazy radiowe obiektu. Wymiary mapy wyrażone są w jednostkach astronomicznych (AU). Średnice okręgów są proporcjonalne do jasności obłoków maserowych. Kolor pomarańczowy to metanol, niebieski woda. W lewym górnym rogu pokazany jest płynący czas (dzień od startu animacji).

Źródło: Centrum Astronomii UMK.

Rysunek 1

Rysunek przedstawia zmienność natężenia emisji maserów metanolowego i wodnego (pary wodnej) w czasie (oś pionowa) z rozróżnieniem prędkości radialnych świecących obłoków (oś pozioma). Oś czasu prezentuje datę obserwacji liczoną jako numer dnia począwszy od 17.11.1858 (tzw. Zmodyfikowany Dzień Juliański - MJD). Oś prędkości radialnej umożliwia prezentację obłoków, w których świecą masery, a które poruszają się względem nas z różnymi prędkościami. Kolorowe belki nad ramką widma odpowiadają jasności emisji. Kolory "ciepłe" od zielonego do czerwonego reprezentują natężenie świecenia metanolu (zielony - najsłabsze, czerwony - najsilniejsze). Kolory "zimne" od fioletowego do ciemno niebieskiego analogicznie odpowiadają świeceniu wody. Czarne i czerwone kreski przy lewej i prawej krawędzi widma oznaczają daty wykonania obserwacji odpowiednio metanolu i wody. Przykładowo widać, że obserwacje masera wodnego rozpoczęły się po dniu MJD 57200.

Źródło: Centrum Astronomii UMK.

Więcej o radioastronomii (filmy wideo):

• Radioastronomia
• Obserwatorium ALMA
• Planety wokół pulsara

Publikacje naukowe powiązane z odkryciem:

• Szymczak M., Olech M., Wolak P., Bartkiewicz A., Gawroński M.; 2016, MNRAS, 459, L56-L60
• Szymczak M., Wolak P., Bartkiewicz A., van Langevelde H.J.; 2011, A&A, 531, L3
• Szymczak M., Wolak P., Bartkiewicz A.; 2014, MNRAS, 439, 407
• Fujisawa K. et al.; 2014, PASJ, 66, 78