Эхосигналы раскрыли структуру облаков в центре галактики

Схема, показывающая, как рентгеновские вспышки от нашей сверхмассивной черной дыры Sgr A* распространяются наружу, взаимодействуют с молекулярными облаками и переизлучают из них свет, а затем достигают Земли. Рентгеновские лучи освещают срезы молекулярного облака с течением времени. Объединяя наблюдения за десятилетия, астрономы могут использовать эти рентгеновские эхо для построения трехмерных карт молекулярных облаков, ограничивая историю прошлых вспышек Sgr A* и лучше понимая общую геометрию центра нашей галактики. Автор: S. Brunker/UConn

Исследователи из Университета Коннектикута создали первые трехмерные карты газовых облаков звездообразования в одной из самых экстремальных сред нашей галактики и изучили предыдущие вспышки в сверхмассивной черной дыре нашей галактики — Стрельце А* (Sgr A*).

Центр Млечного Пути — это экстремальная среда, где температура газа, плотность и турбулентность примерно в 10 раз выше, чем в остальной части галактики. В этой центральной области втекающий газ иногда может попасть в сверхмассивную черную дыру в самом центре.

Когда Sgr A* питается этим материалом, он испускает рентгеновские вспышки, которые распространяются наружу во всех направлениях. Эти вспышки взаимодействуют с молекулярными облаками — газовыми облаками, где формируются звезды — в центре нашей галактики посредством процесса флуоресценции. По мере того, как рентгеновский свет перемещается, он освещает срезы молекулярных облаков с течением времени, как рентгеновское сканирование.

Исследователь физики из Университета Коннектикута Даня Альбослани '24 (CLAS) и постдокторант Саманта Брункер, часть Лаборатории Млечного Пути под руководством доцента физики Кары Баттерсби, разработали новый метод рентгеновской томографии для создания 3D-карт двух молекулярных облаков галактического центра, названных облаками "Stone" и "Sticks". Эти карты являются первыми в истории визуализациями молекулярных облаков галактического центра в трех пространственных измерениях.

Альбослани подробно изложила это исследование в своей презентации «Рентгеновские эхо-сигналы от Sgr A* раскрывают трехмерную структуру молекулярных облаков в Галактическом центре» на 245-м заседании Американского астрономического общества (AAS) в Нэшнл-Харборе, штат Мэриленд, 14 января. Две рукописи были отправлены в журналы AAS и доступны на сервере препринтов arXiv.

«Мы можем изучать процессы в Центральной молекулярной зоне (ЦМЗ) Млечного Пути и использовать наши открытия, чтобы узнать о других экстремальных условиях. Хотя многие далекие галактики имеют схожие условия, они слишком далеки, чтобы изучать их подробно. Узнавая больше о нашей собственной галактике, мы также узнаем об этих далеких галактиках, которые невозможно разрешить с помощью современных телескопов», — говорит Альбослани.

Альбослани объясняет, что Sgr A* переживал периоды интенсивной активности в прошлом, когда он испускал рентгеновские вспышки. У нас не было рентгеновских телескопов, когда эти рентгеновские вспышки впервые достигли Земли, однако рентгеновский свет взаимодействовал с молекулярными облаками в CMZ.

«Облако поглощает рентгеновские лучи, исходящие от Sgr A*, а затем переизлучает рентгеновские лучи во всех направлениях. Некоторые из этих рентгеновских лучей идут к нам, и существует этот очень специфический энергетический уровень, нейтральная линия железа с энергией 6,4 электрон-вольта, которая, как было обнаружено, коррелирует с плотными частями молекулярного газа», — говорит Альбослани.

«Если представить черную дыру в центре, которая производит эти рентгеновские лучи, которые расходятся наружу и в конечном итоге взаимодействуют с молекулярным облаком в ЦМЗ, то со временем она будет выделять различные части облака, так что то, что мы видим, — это сканирование облака».

Поскольку центр галактики заполнен большим количеством пыли, видимый свет может быть затенен, но рентгеновские лучи, испускаемые Sgr A* во время интенсивных событий аккреции, можно увидеть.

Данные по молекулярным газам от Submillimeter Array в фоновом сером цвете с рентгеновским излучением с 2010 по 2017 год, показанным в цветных контурах. В целом наблюдается хорошее морфологическое согласие, с поразительно хорошей корреляцией для мелкомасштабных структур в 2013, 2015 и 2016 годах, особенно. Автор: X-ray: NASA/CXC/UConn/S. Brunker et al.; radio: ASIAA/SAO/SMA

В статье Альбослани основное внимание уделяется облаку Стоун, а в статье Брункера изучается облако Стикса. «Общее морфологическое соответствие и, в частности, ассоциация самых плотных областей в данных рентгеновских и молекулярных линий поразительны, и это первый раз, когда это показано в таком малом масштабе», — говорит Брункер.

Альбослани и Брункер использовали данные рентгеновской обсерватории Чандра NASA, охватывающие два десятилетия, для создания своих 3D-моделей молекулярных облаков Stone and Sticks. Баттерсби объясняет, что, хотя мы обычно видим только два пространственных измерения объектов в космосе, метод рентгеновской томографии позволяет нам измерять третье измерение облака, поскольку мы видим, как рентгеновские лучи освещают отдельные срезы облака с течением времени.

«Мы можем использовать временную задержку между облучениями для вычисления третьего пространственного измерения, поскольку рентгеновские лучи распространяются со скоростью света», — объясняет Баттерсби.

Альбослани и Брункер также использовали данные с Submillimeter Array и Herschel Space Observatory для сравнения структур, наблюдаемых в рентгеновских эхо-сигналах, с теми, которые наблюдаются в других длинах волн. Поскольку рентгеновские данные не собираются непрерывно, существуют некоторые структуры, наблюдаемые в субмиллиметровых длинах волн, которые не наблюдаются в рентгеновских лучах. Однако они используют эти «отсутствующие» структуры для ограничения продолжительности события рентгеновской вспышки, освещающей облако Stone.

«Мы можем оценить размеры молекулярных структур, которые мы не видим в рентгеновских лучах, — говорит Брункер, — и на их основе наложить ограничения на продолжительность рентгеновской вспышки, смоделировав то, что мы могли бы наблюдать для диапазона длительностей вспышки. Модель, которая воспроизводила наблюдения с похожими по размеру «недостающими структурами», показала, что рентгеновская вспышка не могла длиться намного дольше 4–5 месяцев».

Новаторские подходы, такие как метод моделирования молекулярных облаков в 3D, помогают исследователям собирать больше информации об условиях, которые приводят к образованию звезд.

«Хотя мы многое узнаем о молекулярных облаках из данных, собранных в 2D, добавленное третье измерение позволяет более детально понять физику того, как рождаются новые звезды», — говорит Баттерсби. «Кроме того, эти наблюдения накладывают ключевые ограничения на глобальную геометрию центра нашей галактики, а также на прошлую вспышечную активность Sgr A*, центральные открытые вопросы в современной астрофизике».

Еще одним захватывающим аспектом этой работы является то, что она представляет новый способ использования архивных данных, говорит Альбослани. «Новые инструменты и телескопы, которые будут запущены в будущем, предоставят астрономам более высокое разрешение, что позволит нам изучать объекты более подробно. Однако мы также можем оглядываться назад во времени и изучать объекты в течение более длительных периодов, чтобы извлекать новую информацию — что и делает этот проект».

Больше информации: Danya Alboslani et al, 3D MC II: X ray echoes reveal a clumpy molecular cloud in the CMZ, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2501.07669
Саманта В. Брункер и др., 3D MC I: рентгеновская томография начинает раскрывать трехмерную структуру молекулярного облака в центре нашей Галактики, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2501.07717