Mai mult gaz în galaxie decât se credea

Observatorul spaţial Herschel a dezvăluit că rezerva de gaz molecular din galaxia Calea Lactee este mult subestimată, cu aproape o treime, atunci când ea este analizată prin metodele tradiţionale. Mai multe detalii, în cadrul materialului următor.

Monitorizând emisiile din gazele ionizate de carbon, noul studiu identifică gazul molecular din faza intermediară de evoluţie dintre gazul atomic, difuz şi norii moleculari mai denşi din care se formează stelele. Descoperirea nu indică doar faptul că există mai multă materie primă pentru formarea de stele noi în galaxie, dar, de asemenea, şi că aceasta se extinde mai departe în spaţiu decât ştiau astronomii.

Reprezentare artistică a gazului molecular din planul galaxiei Calea Lactee. Credit: ESA - C. Carreau

În Calea Lactee, precum şi în alte galaxii, stelele se nasc din colapsul celor mai dense şi mai reci aglomerări de materie dintr-un nor molecular. Aceşti nori reprezintă complexe gigantice de formare a stelelor alcătuite în principal din hidrogen molecular (H₂), un gaz care nu emite nicio lumină la temperaturile scăzute observate în norii moleculari.

Astronomii care investighează primele stadii de formare a stelelor sunt interesaţi nu numai de modul în care fragmentele de nori moleculari formează stele, dar, de asemenea, de procesele care au loc chiar mai devreme şi care duc la formarea iniţială de nori moleculari din gazele difuze de hidrogen atomic. În acest scop, astronomii studiază distribuţia şi proprietăţile gazului de H₂ din galaxie dar, fără a beneficia de observaţii directe, ei trebuie să recurgă la metode alternative pentru a-l urmări.

Compusul cel mai utilizat pe scară largă pentru a urmări gazul molecular din regiunile în care se formează stelele este monoxidul de carbon (CO). Chiar şi sub forma unei simple impurităţi prezente în norii moleculari, CO radiază mult mai eficient decât H₂ şi poate fi detectat cu uşurinţă. Cu toate acestea, aceşti marcatori indirecţi pot fi nesiguri, deoarece nu există nicio garanţie că toate zonele dintr-un nor conţinând H₂ conţin, de asemenea, CO, caz în care observaţiile privind CO pot pierde în totalitate aceste regiuni din analiză.

Pentru a realiza o imagine mai completă a conţinutului molecular al Căii Lactee, astronomii au combinat în ultimele decenii observaţiile de CO cu alţi marcatori de H₂. Acestea includ emisiile provenite din praf, un alt agent contaminant din norii moleculari, şi razele gama care sunt produse atunci când particulele din razele cosmice interacţionează cu hidrogenul molecular din mediul interstelar (ISM).

Combinarea acestor date a sugerat existenţa a mai mult gaz molecular în Calea Lactee decât a fost obţinut prin utilizarea numai a indicatorului de CO. Noile date de la Herschel Space Observatory al ESA confirmă acum această bănuială anterioară: aproape o treime din tot gazul molecular din Calea Lactee a rămas nedescoperit. Şi mai mult: noul studiu, care pune în evidenţă H₂ printr-un marcator diferit, carbonul ionizat (C+), a stabilit distribuţia tridimensională a gazului molecular de-a lungul Căii Lactee.

„Acesta este primul studiu al carbonului ionizat de-a lungul planului galactic, acolo unde cele mai multe dintre stelele Căii Lactee şi norii din care se formează stelele sunt concentrate şi care combină ambele rezoluţii înalte, spectrală şi unghiulară", comentează Jorge Pineda la Jet Propulsion Laboratory (JPL), Caltech, SUA, care a condus studiul.

Marcatorii de gaz molecular din planul galaxiei Calea Lactee. Credit: ESA/Herschel/HIFI/J. Pineda et al. (2013)

„Cu rezoluţia spectrală fără precedent a instrumentului HIFI de la bordul Herschel, am putea estima distanţa emiţătorilor de C+ din centrul galaxiei şi reconstrui astfel distribuţia sa radială din întreaga galaxie".

Carbonul ionizat provine din atomii de carbon care au fost deposedaţi de unul dintre electronii lor ultraperiferici de către fotonii având lungimea de undă în ultraviolet a stelelor tinere din apropiere. Aceşti ioni sunt prezenţi în urmele lăsate pe tot parcursul mediului interstelar şi produc o linie de emisie caracteristică la o lungime de undă de 158 de microni. Linia C+ reprezintă caracteristica de emisie cea mai strălucitoare de-a lungul mediului interstelar la lungimi de undă din infraroşu îndepărtat. Cu toate acestea, datorită absorbţiei prin atmosfera Pământului, astronomii pot observa doar linia C+, cea mai din afara atmosferei, de preferat din spaţiu.

„Atomii de carbon sunt ionizaţi de aceiaşi fotoni ultravioleţi care descompun moleculele de H₂ în atomi de hidrogen, dar aceste două procese nu se produc în aceleaşi locuri din mediul interstelar", explică co-autorul William Langer, de asemenea de la JPL, Caltech, SUA. Langer este cercetător principal al GOT C+, Herschel Open Time Key Programme, în care au fost înregistrate datele.

„Astfel noi putem folosi linia de C+ pentru a indica cu precizie gazul aflat într-o fază foarte importantă, tranzitorie unde majoritatea hidrogenului este molecular, dar carbonul este în principal ionizat".

Pentru a identifica mediile diferite de unde provin emisiile detectate de C+, astronomii au comparat datele Herschel cu alte observaţii independente care urmăresc diferitele componente ale mediului interstelar. Dar acestea ar putea reprezenta doar mai puţin de trei sferturi din toate cele care au fost detectate de către Herschel.

„Ne-am dat seama de următorul lucru: carbonul ionizat rămas trebuie să fie situat în unele porţiuni izolate ale norilor moleculari pe care nu le putem urmări prin CO deoarece acestea nu conţin această moleculă deloc", explică Pineda.

Regiunile mai dense din mediul interstelar, unde se află cea mai mare parte a gazului molecular, conţin ambele molecule H₂ şi CO. Dar imediata lor vecinătate are o compoziţie mai complexă care este profund influenţată de radiaţiile ultraviolete de la stelele din apropiere. Aceste regiuni de disociere fotonică cuprind mai multe straturi: la cele ultraperiferice gazul este complet ionizat din cauza expunerii la radiaţiile ultraviolete, în timp ce straturile interioare găzduiesc diferite tipuri de gaz în acelaşi timp, ionizat, atomic şi molecular.

Această ilustraţie afişează un nou rezervor de combustibil stelar descoperit de observatorul spaţial Herschel (roşu). Credit: ESA/NASA/JPL-Caltech

Într-unul din straturile interioare ale unei regiuni de disociere fotonică, s-a observat că H₂ şi C+ coexistă. Astronomii numesc gazul molecular care se află acolo „CO-întunecat" H₂ pentru a-l distinge de H₂ amestecat cu monoxid de carbon care poate fi urmărit prin emisia de CO. Noile date Herschel arată că „CO-întunecat" H₂ reprezintă aproximativ 30 la sută din întreaga rezervă de gaz molecular a Căii Lactee.

„Galaxia conţine mult mai mult H₂ decât am crezut, noi doar trebuie să ne uităm la el dintr-o nouă perspectivă", comentează Langer.

Studiul C+ efectuat de Herschel nu numai că a descoperit acest depozit ascuns de material pentru potenţialele viitoare stele, dar, de asemenea, dezvăluie că acesta este distribuit într-un mod curios.  „CO-întunecat" H₂ detectat cu Herschel este în cea mai mare parte situat într-un inel din jurul centrului galaxiei la raze cuprinse între 13.000 şi 36.000 de ani-lumină. Acesta se întinde mult mai departe decât gazul molecular detectat de CO, care este cel mai concentrat în regiunile mai intime ale galaxiei, ajungând la raze de aproximativ 13.000 de ani-lumină şi cu o scădere în densitate la distanţe mai mari.

Astronomii plănuiesc a studia noul gaz molecular detectat mai în detaliu pentru a inspecta etapele intermediare care transformă mediul interstelar difuz în nori moleculari mai denşi şi reci. Cantitatea de H₂ dintr-o galaxie este un parametru cheie pentru a înţelege modalitatea de formarea a stelelor, dar rata la care gazul molecular este produs în prima fază ar putea fi la fel de importantă.

„Această activitate interesantă bazată pe observaţiile de C+, realizată de Herschel, arată nu numai că, în galaxia noastră, există cu siguranţă mult mai mult material decât am ştiut disponibil pentru formarea de stele, ceea ce este important în sine", comentează Göran Pilbratt, om de ştiinţă în cadrul proiectului Herschel al ESA, „dar graţie rezoluţiei spectrale înaltă furnizate de HIFI putem spune, de asemenea, unde se află acest gaz".