– megfejtették a kozmikus turbulencia egyik fő energiaforrását
Ha egy galaxisra távolról tekintünk, rendezett rendszernek látszik: csillagok százmilliárdjai keringenek a középpont körül, a gáz fényes spirálkarokba rendeződik, a sötét porsávok pedig szinte szabályos mintázatot rajzolnak ki. Közelebbről azonban egészen más kép tárul fel. A csillagok közötti gáz állandó mozgásban van, örvénylik, lökéshullámok járják át, hatalmas felhőkké sűrűsödik, majd ismét szétszóródik. Ez a galaktikus turbulencia döntő szerepet játszik abban, hol és milyen gyorsan születhetnek új csillagok, miként alakul egy galaxis gázkorongjának szerkezete, és mennyi anyag marad rendelkezésre a következő csillagnemzedékek létrejöttéhez.
A csillagászok régóta sejtik, hogy a zűrzavar fő energiaforrásai a szupernóvák. Egy nagytömegű csillag élete végén bekövetkező robbanás rövid idő alatt óriási energiát juttat a környező térbe, és több száz vagy akár több ezer fényéven át terjedő lökéshullámokat indíthat el. A galaxisok turbulenciáját azonban nem egyetlen robbanás tartja fenn. A nagy tömegű csillagok rendszerint csoportosan születnek, majd csillagászati értelemben rövid időn belül egymás után pusztulnak el. Ismétlődő robbanásaik közös, táguló üregeket vájnak a csillagközi gázba; ezeket a több szupernóva által felfújt struktúrákat nevezik szuperbuborékoknak.
A modell logikusnak látszott, de egy fontos láncszem sokáig hiányzott. A korábbi rádiócsillagászati felmérések főként a fiatal, gyorsan táguló és ezért könnyebben felismerhető buborékokat látták. Az idősebb, lassabb, részben szétfoszlott képződmények jelentős része kimaradt a katalógusokból, így nem lehetett megbízhatóan meghatározni, hogy a szupernóvák hosszú idő alatt összesen mennyi mozgási energiát adnak át egy teljes galaxis gázanyagának. Az sem volt világos, hogy ez az energiamennyiség valóban elegendő-e a turbulens mozgások folyamatos veszteségének pótlására.
Fanyi Meng, Chao-Wei Tsai, Jingwen Wu, Di Li és munkatársaik most az Androméda-galaxis semleges hidrogénjét térképezték fel a kínai FAST rádiótávcső és az amerikai Karl G. Jansky Very Large Array adatainak egyesítésével. A két műszer képességei jól kiegészítették egymást: a FAST rendkívüli érzékenységgel mérte a halvány, nagy kiterjedésű hidrogénsugárzást, a VLA pedig finomabb térbeli és sebességbeli részleteket tárt fel. Az Androméda megfelelő célpont ehhez a vizsgálathoz, mert kozmikus léptékben közeli, nagy spirálgalaxis, amelynek teljes korongja részletesen tanulmányozható.
A kutatók 118 szuperbuborékot azonosítottak az Androméda korongjában. Némelyik több ezer fényévre terjed ki, a legidősebbek becsült kora pedig eléri a 40 millió évet. Ez nagyjából lefedi azt az időszakot, amely alatt egy fiatal csillaghalmaz nagytömegű tagjai sorra szupernóvaként felrobbanhatnak. A korábbi felmérések általában a tíz–húszmillió éves vagy még fiatalabb struktúrákra voltak érzékenyek, ezért az új katalógus jóval teljesebb képet ad a buborékok fejlődéséről.
A döntő lépést nem önmagában a buborékok megszámlálása jelentette. A kutatócsoport a méretükből, tágulási sebességükből és a környező gáz sűrűségéből megbecsülte, milyen ütemben adták át mozgási energiájukat a galaxis különböző részeinek. Ettől független módszerrel azt is kiszámították, milyen gyorsan vész el a csillagközi turbulencia energiája. A két térkép nagyságrendje és térbeli eloszlása szorosan egyezett: ahol a szuperbuborékok több energiát juttattak a gázba, ott a turbulens mozgások fenntartásához szükséges energiamennyiség is nagyobb volt.
Ez az egyezés erős megfigyelési alapot ad annak a képnek, amely szerint a csoportosan bekövetkező szupernóva-robbanások elegendő energiát szolgáltatnak a galaktikus turbulencia fenntartásához. Korábban szimulációk, egyedi maradványok és részleges felmérések támogatták ezt a magyarázatot; az új munka egy egész nagy spirálgalaxisban hasonlította össze a szupernóvák által betáplált energiát a turbulencia veszteségével.
A folyamat egy óriási, sokmillió éves keverésként képzelhető el. A fiatal csillagok erős csillagszele már a robbanások előtt ritkítani kezdi környezetét. Az egymást követő szupernóvák lökéshullámai tovább tágítják az üreget, összesöprik a gázt a buborék falában, és újabb örvényeket keltenek. A buborék idővel lassul, deformálódik, más buborékokkal találkozik, majd fokozatosan beleolvad a csillagközi anyag kusza sebességterébe. Az egyedi struktúra eltűnhet, de átadott energiája tovább él a gáz mozgásában.
Ennek közvetlen következménye van a csillagkeletkezésre. A gravitáció összehúzná a hideg gázfelhőket, a turbulens mozgás viszont részben ellenáll az összeomlásnak, más helyeken pedig éppen olyan sűrű csomókat hoz létre, amelyekből új csillagok születhetnek. A szupernóva ezért kettős szerepet játszik: szétrombolhatja a közeli felhőket, miközben távolabb összenyomhatja az anyagot, és előkészítheti egy következő csillagnemzedék kialakulását. A csillagok így saját utódaik születési környezetét is folyamatosan átalakítják.
A turbulencia a galaxis nagyobb léptékű fejlődését is befolyásolja. Meghatározza a gázkorong vastagságát, segíti a mágneses tér rendeződését, és hozzájárulhat ahhoz, hogy forró gáz emelkedjen ki a korong síkjából a galaxis körüli térbe. A galaxisképződési számítógépes modellekben ezért kulcsfontosságú, hogy a szupernóvák energiája milyen hatékonysággal alakul át rendezett tágulásból rendezetlen gázmozgássá. Az Andromédában mért energiamérleg ehhez közvetlen megfigyelési támpontot nyújt.
Az eredmény értelmezésének vannak korlátai. A buborékok korát és energiáját fizikai modellek alapján kell visszaszámítani, miközben alakjukat a gáz egyenetlen sűrűsége, a mágneses tér és korábbi robbanások is módosíthatják. A vizsgálat egyetlen, bár a Tejútrendszerhez sok szempontból hasonló spirálgalaxisra vonatkozik, ezért további galaxisok felmérése szükséges annak megállapításához, mennyire általános a kapott energiamérleg. A kutatás azt sem állítja, hogy a szupernóvák minden környezetben a turbulencia kizárólagos forrásai lennének: a galaxisok forgása, gravitációs instabilitásai, beáramló gázáramok és aktív központi fekete lyukak szintén mozgathatják a csillagközi anyagot.
Az Androméda rádiótérképe mégis világosabbá teszi a galaxisok belső körforgását. A szupernóvák robbanásai több tízmillió éven át felismerhető üregeket hagynak maguk után, mozgási energiájuk pedig beleépül a galaxis gázanyagának állandó nyugtalanságába. A látványosan rendezett spirálkarok mögött így csillagok nemzedékei által fenntartott, soha meg nem nyugvó közeg dolgozik.
Források:
Fanyi Meng és munkatársai: Supernova origin of galactic turbulence revealed by superbubbles
Nature Astronomy
