Jord – vores lille blå prik i galaksen – er cirka 26.000 lysår væk fra en fascinerende og aktiv region på Mælkevejen kaldet Central Molecular Zone (CMZ). Denne region har spor om, hvordan stjerner fødes, hvordan energi bevæger sig gennem vores galakse, og måske endda nogle detaljer om mørkt stof.
Imidlertid er analyse af dette område udfordrende, fordi vi ikke har en klar top-down udsigt over Mælkevejen. UConns Milky Way Laboratory, ledet af Institut for Fysik Lektor Cara Battersby, præsenterer deres omfattende analyse og 3-dimensionel top-down-model af CMZ i en serie på fire papirer i The Astrophysical Journal.
CMZ er en region med ekstremer og kompleksitet, men det er også den eneste CMZ, vi kan studere i detaljer.
“Vi kan godt lide at kalde CMZ, som galaksen er station” Batterby siger. “Denne gas forbliver enten i CMZ og kredsløb omkring midten af galaksen, hvor den undertiden danner stjerner, eller den kan rejse videre til det supermassive sorte hul i midten af galaksen.”
Et spørgsmål Battersby er interesseret i “feeds” eller aktivt akkrete materiale. Som en galaktisk måde styrer CMZ, hvornår og hvis disse materialer bevæger sig til det sorte hul. At gøre direkte observationer for at besvare dette spørgsmål er vanskeligt, fordi CMZ er hjemsted for masser af gas, støv og stjerner sammen med det faktum, at vi er meget langt væk og kun kan se det fra siden.
“For at forstå, hvordan vores egen CMZ regulerer denne gasindstrømning, har vi brug for et top-down billede,” Batterby siger. “Vi har sandsynligvis hundreder af tusinder af billeder af vores galaktiske center, alt sammen i dette sidelæns perspektiv.
“Vi kan lære alt, hvad vi vil om disse skyer, men hvis du ikke ved, hvilke der flyder mod det sorte hul, eller hvilke der kredser, kan du ikke rigtig sige noget om, hvordan CMZ regulerer denne gasstrøm. Vi kan gøre et bedre stykke arbejde med at modellere den tredimensionelle gasfordeling.”
I denne serie af papirer tager Battersby’s forskningsgruppe alle tilgængelige beviser for at måle og katalogisere aspekter af skyerne i denne region af galaksen for at skabe den bedst mulige top-down tredimensionelle udsigt over CMZ.
Det første trin var at udarbejde et omfattende katalog over strukturer i CMZ og måle deres fysiske og kinematiske egenskaber, såsom masse, radier, temperatur og hastighedsdispersion, beskrevet i papirer et og to.
Med disse omfattende kataloger fokuserer de næste to papirer på de småskala strukturer inden for kataloget, som menes at være individuelle molekylære skyer, der kan være fødselssteder for klynger af stjerner, siger Battersby. Den tredje artikel blev ledet af den tidligere post-doktor med Daniel Walker, og det fjerde papir blev ledet af den nuværende ph.d. Student Dani Lipman.
Det galaktiske centrum er meget lyst og udsender lys ved mange bølgelængder, derfor giver de molekylære skyers egenskaber ledetråde om deres placering inden for det. Forskerne brugte forskellige tilgange til at måle og bestemme, hvilke skyer der er foran eller bag det galaktiske centrum.
“Disse molekylære skyer er steder, hvor stjerner kun dannes, når gassen er meget tæt og meget kold, og meget af gassen i det galaktiske centrum er varmt og diffus,” Batterby siger.
“Disse kokoner af kølige, tætte gas betyder, at når de er foran det galaktiske centrum, absorberer de det lyse lys fra det galaktiske centrum, og de ligner skygger. På den anden side, hvis disse skyer er bag det galaktiske centrum, passerer dette lys igennem, og skyerne blokerer overhovedet ikke det lys.”
Forskerne udviklede nye teknikker til at måle, hvor meget lys der er blokeret af de molekylære skyer med den antagelse, at hvis der er blokeret meget lys, er det sandsynligt, at skyen er foran det galaktiske centrum.
“Papirer tre og fire bruger to forskellige teknikker. Papir tre fokuserer på radiobølgelængder af lys, og det fokuserer på de molekylære skyer, der absorberer radiobølgelængderne. Papir fire fokuserer på infrarød støvudryddelse og detaljerede en omhyggelig teknik til at måle ‘skyggen’ baseret på skyens egenskaber og derved kvantificere sandsynligheden for, at det enten er foran eller bag det galaktiske centrum,” siger Batterby.
Dernæst modellerede forskerne, hvordan deres data antydede, at der skete i CMZ og sammenlignede det med eksisterende modeller for, hvordan det galaktiske center kan se ud ovenfra og ned.
Der var tre dominerende modeller af, hvordan vores galaktiske center kan se ud, og Battersby siger, at placeringerne af de molekylære skyer, som gruppen kortlagde varierer, varierer ganske lidt på tværs af de forskellige eksisterende modeller. Ved at redegøre for de dynamiske bevægelser af forskellige skyer fandt forskerne eksisterende modeller manglede denne kompleksitet, og der er behov for mere arbejde for at studere strømmen af gas i CMZ.
“Papir tre præsenterede en ny enkel ellipse -model, der er en lidt bedre pasform end de tidligere modeller. Dani Lipman udarbejder i øjeblikket papir fem, der præsenterer en kvantitativ bedst-fit-model af top-down-visningen af vores Galaxy’s CMZ, som inkluderer frigivelse af offentlig kode, så fremtidige forskere kan fortsætte med at forbedre vores top-down model af CMZ, når nye data ankommer.”
Lipman siger, at Paper Five sigter mod at kombinere alle tilgængelige data for at bestemme den mest sandsynlige position af en given sky foran eller bag Skytten A*. Disse positioner bruges derefter til at finde en bedst passende top-down-model til CMZ. Modellen opdateres og forbedres konstant, efterhånden som flere data bliver tilgængelige,
“Moderne videnskab er vidunderligt samarbejdende, så det er en enorm del af at udgive vores kode, at det er en enorm del af at engagere sig i samfundet og tilbyde ressourcer til nye forskere og studerende, der er ivrige efter at deltage i at besvare disse spørgsmål,” siger Lipman.
Denne række papirer er et stort skridt fremad med at forstå 3D -strukturen i vores Galaxy’s CMZ og gør det muligt for forskere, som Batterby’s Milky Way Lab, at begynde at besvare presserende spørgsmål om vores galakse.
“CMZ giver ‘tæt’ adgang til ekstreme fænomener set i hele universet, såsom et akkreterende supermassivt sort hul og stjernedannelse i et meget turbulent miljø,” siger Batterby.
“Det er vigtigt at kende 3D -strukturen for at spore strømme mod det sorte hul såvel som at teste teorier om stjernedannelse i et ekstremt miljø, fordi du har brug for at vide, hvor alt er i dette dynamiske miljø.”