Cobras galácticas em nosso plano galáctico? O que as imagens mais recentes da NASA revelam
Este panorama de raios-X/rádio do centro galáctico obtém dados dos telescópios Chandra da NASA e MeerKAT da África do Sul. Os raios X do Chandra são laranja, verde e roxo, mostrando diferentes energias de raios X, e os dados de rádio do MeerKAT são cinza. Uma variedade de recursos interconectados estão em exibição aqui, permitindo-nos descobrir a origem do transporte de energia galáctica. (RAIO X: NASA/CXC/UMASS/Q.D. WANG; RÁDIO: NRF/SARAO/MEERKAT)
Com os dados de rádio e raios X combinados, estamos entendendo como a energia flui como nunca antes.
Quando olhamos para o Universo nas maiores escalas cósmicas de todas, a gravidade é a única força que importa. Embora as outras forças fundamentais da natureza sejam muito mais fortes, as forças nucleares fraca e forte são apenas forças de curto alcance, enquanto o Universo é eletricamente neutro em geral, deixando a gravitação sozinha para dominar. Mas dentro de estruturas grandes e massivas, como galáxias, a matéria normal se contrai e colapsa, formando estrelas e nuvens de gás, interagindo com buracos negros e estrelas de nêutrons e experimentando condições físicas confusas.
Em nosso Universo próximo, nenhum lugar é mais confuso do que nosso centro galáctico. Localizado a cerca de 27.000 anos-luz de distância, descobrimos o buraco negro mais massivo nos ~ 2 milhões de anos-luz mais próximos: Sagitário A *, contendo tanta massa quanto quatro milhões de sóis. Mas ao redor disso estão todos os tipos de características fascinantes: nuvens de gás frio, aglomerados de novas estrelas, remanescentes de supernovas e filamentos alongados de matéria quente emissora de raios-X. Com os dados mais recentes do telescópio de raios-X Chandra da NASA fornecendo uma visão profunda e de alta resolução do núcleo da Via Láctea, agora é possível desembaraçar essas cobras para revelar precisamente o que está dentro.
Imagem em quatro cores dos raios X ao redor do plano galáctico. As energias inferiores dos raios X estão em laranja, subindo através do verde, azul e violeta. Observe o grande número de fontes pontuais espalhadas pela imagem, enquanto a zona molecular central emite as energias mais altas no meio da imagem, correspondendo ao plano galáctico. (RAIO X: NASA/CXC/UMASS/Q.D. WANG)
A primeira coisa que podemos olhar, acima, são os próprios raios X, mas olhar para eles codificados por cores pela energia. Os raios X, em geral, vêm em duas categorias diferentes:
- raios X duros , que são maiores em energias e têm comprimentos de onda do tamanho de um único átomo ou menor,
- e raios-X suaves , que têm energias mais baixas (mas ainda mais energéticas que a luz ultravioleta) e têm comprimentos de onda maiores que o tamanho de um único átomo.
Existem quatro recursos independentes que você deve observar ao observar as imagens de raios-X. A primeira característica é que eles vêm em duas cores diferentes: laranja/vermelho e azul/violeta, onde as cores laranja-vermelhas representam raios X suaves e as azuis/violetas são raios X duros. Em segundo lugar, os raios X moles existem acima e abaixo do plano galáctico, enquanto os raios X duros dominam o plano da própria galáxia. Terceiro, há um grande número de pontos espalhados pela imagem; são fontes pontuais, como buracos negros e estrelas de nêutrons. E, talvez o mais proeminente, há um grande número de regiões brancas saturantes e ultra-luminosas, que correspondem a regiões onde o fluxo de raios X é tremendo em múltiplas energias.
Vista de rádio dos poucos graus mais internos do centro galáctico do MeerKAT. Ao contrário da visão complementar de raios-X, os dados de rádio traçam um conjunto diferente de características: lóbulos de rádio, filamentos estreitos e bem alinhados e material que parece irradiar para longe da zona molecular central. Muitos desses filamentos emitem luz fortemente polarizada. (RÁDIO: NRF/SARAO/MEERKAT)
Uma das maneiras pelas quais obtemos informações importantes sobre o Universo é observando não apenas um conjunto de bandas de comprimento de onda, como os raios X, mas também diferentes. Acima está a mesma região exata do espaço, exceto que em vez de ser fotografada em raios-X do espaço, foi fotografada em comprimentos de onda de rádio do solo: pela matriz MeerKAT de radiotelescópios. Ao contrário da porção de raios-X do espectro, os sinais de rádio parecem traçar formas semelhantes a filamentos que parecem servir como pontes, conectando as várias regiões emissoras de raios-X umas às outras ou pelo menos parecendo ser emitidas da parte mais brilhante. regiões de raios-X.
Isso nos diz que algo provavelmente está acontecendo entre as estrelas – no espaço interestelar que as separa – que está sendo alongado em características semelhantes a fios em enormes escalas de distância: cerca de 20 anos-luz de diâmetro, normalmente. Essas características semelhantes a fios podem parecer incomuns, mas estruturas muito semelhantes foram observadas no espaço antes, embora não em ambientes galácticos como este. Em vez disso, esses fios são mais semelhantes às linhas traçadas que vimos em um reino completamente diferente: perto da superfície do Sol.
Loops coronais solares, como os observados pelo satélite Transition Region And Coronal Explorer (TRACE) da NASA aqui em 2005, seguem o caminho do campo magnético no Sol. Quando esses loops “quebram” da maneira certa, eles podem emitir ejeções de massa coronal, que têm o potencial de impactar a Terra. Uma grande CME ou erupção solar pode criar um novo tipo de desastre natural: um cenário de 'Flaremageddon'. (NASA/TRACE)
O que você pode ver, logo além da fotosfera do Sol, são estruturas semelhantes a loops que brilham com fluxos de matéria quentes e ricos em plasma. Estes podem ser descritos como plumas ou fontes, aparecendo como se houvesse fios conectando diferentes regiões do Sol, e essas plumas brilhantes traçam essas linhas de fio.
Fisicamente, entendemos o que está acontecendo em termos de magnetismo. O Sol tem regiões que variam em temperatura, e a natureza ionizada do plasma solar nos diz que os elétrons e núcleos atômicos serão transportados em taxas diferentes devido às suas diferentes proporções de carga para massa. Isso cria separações de carga e correntes elétricas, que por sua vez criam campos magnéticos, que por sua vez confinam os plasmas e criam essas estruturas reveladoras no Sol.
Além disso, quando essas linhas de campo magnético se alinham, anti-alinham, quebram e/ou se reconectam, elas podem desencadear a emissão de partículas em movimento rápido e a ejeção de matéria. Isso fornece a origem, pelo menos até onde sabemos, de eventos como erupções solares, ejeções intensas de matéria e outros exemplos de clima espacial.
Uma explosão solar de classe X irrompeu da superfície do Sol em 2012: um evento que ainda era muito, muito menor em brilho e produção total de energia do que o evento Carrington de 1859, mas que ainda poderia ter causado uma tempestade geomagnética catastrófica se tivesse sido acompanhada por uma ejeção de massa coronal cujo campo magnético tinha a orientação certa (ou errada, dependendo do ponto de vista). (NASA/OBSERVATÓRIO SOLAR DYNAMICS (SDO) VIA GETTY IMAGES)
Uma teoria que foi apresentada sobre a natureza dessas características no centro galáctico é que elas são de origem semelhante. O centro galáctico é conhecido, há algum tempo, por possuir as seguintes propriedades:
- há uma forte fonte gravitacional lá na forma de nosso buraco negro central,
- o meio interestelar tem altas temperaturas e densidades,
- a matéria que flui nesse meio tem grandes velocidades e exibe propriedades turbulentas,
- e também há fortes campos magnéticos em jogo: não coerentes em grandes escalas de distância, mas com características que persistem apenas por alguns anos-luz de uma só vez.
Além disso, nosso buraco negro central está atualmente quieto, mas o ambiente ao redor mostra evidências de que ele esteve ativo há relativamente pouco tempo. Muitas regiões próximas – que aparecem como pontos brilhantes na imagem de raios-X – consistem em aglomerados de estrelas jovens e brilhantes com apenas alguns milhões de anos, ou nuvens de gás densas que estão no processo de formação de novas estrelas ou se contraem sob suas próprias gravidade: um predecessor da formação estelar.
As vistas de vários comprimentos de onda do centro galáctico têm sido usadas há muito tempo para tentar identificar várias características. Mostrado aqui, há uma série de fontes pontuais, aglomerados de estrelas e recursos de gás que se destacam. No entanto, para identificar as características interestelares que transportam energia do centro para o halo, são necessárias observações de rádio de alta resolução combinadas com observações de raios-X. (NASA/JPL-CALTECH/ESA/CXC/STSCI)
As mais densas dessas nuvens são encontradas no que chamamos de zona molecular central, que também contém algumas das novas estrelas mais jovens presentes na Via Láctea. Dado que também existem estruturas de alta energia encontradas no bojo e halo galáctico - estendendo-se significativamente para longe do próprio plano galáctico - muitos especularam que existe algum tipo de conexão entre a atividade central na galáxia com essas estruturas estendidas. Mas, para testar essa especulação, precisávamos de dados de alta resolução em vários comprimentos de onda de luz, e especificamente no rádio e no raio-X, juntos.
Em particular, há um filamento - logo abaixo e à esquerda do centro galáctico visto das orientações mostradas aqui - conhecido como G0,17–0,41 , que mostra a sobreposição de raios-X e luz de rádio nesta região fina e estreita de aproximadamente 20 anos-luz de extensão. Um filamento longo como esse pode se formar entre duas regiões ionizadas fortemente magnetizadas em condições semelhantes ao que ocorre no Sol: quando duas estruturas magnéticas com campos anti-alinhados se reconectam repentinamente, liberando uma enorme quantidade de energia. As emissões de raios X, localizadas exatamente onde esse filamento de rádio é encontrado, oferecem um suporte muito forte para essa imagem.
Este composto de raios-X/rádio de filamento G0.17-0.41 abrange 20 anos-luz, mas tem apenas ~ 1/5 de um ano-luz de largura. A estreita colimação visível aqui contra as fontes pontuais de raios-X de fundo é evidência de que o material emissor de raios-X está confinado dentro de um fio de campo magnético com uma grande força: 1 miligauss ou mais. (RAIO X: NASA/CXC/UMASS/Q.D. WANG; RÁDIO: NRF/SARAO/MEERKAT)
Isso é muito, muito semelhante a outro recurso semelhante a um thread que havia sido observado anteriormente: G359.55+0.16. Novamente, as emissões de raios X e rádio se sobrepõem, mas o que é particularmente atraente aqui é que os filamentos são tão longos – cerca de 20 anos-luz de extensão em cada caso – em comparação com sua largura, que é apenas 1/100 de seus comprimentos. O fato de podermos resolver esses recursos e observar sua natureza a partir dessas visualizações de vários comprimentos de onda pode nos ajudar a entender como a atividade no centro galáctico pode criar não apenas esses recursos intrincados, mas também dar origem a raios cósmicos de energia extremamente alta. e outros eventos energéticos.
De acordo com Q. Daniel Wang , que escreveu o artigo científico associado a este novo conjunto de observações e imagens:
A galáxia é como um ecossistema. Sabemos que os centros das galáxias são onde está a ação e desempenham um papel enorme em sua evolução. Este tópico revela um novo fenômeno. Esta é a evidência de um evento de reconexão do campo magnético em andamento.
O que é fascinante sobre isso é que ele fornece evidências diretas de um fenômeno de elo perdido que leva muito tempo para ser observado na escala de tempo de uma vida humana: como a energia é transportada das regiões internas de uma galáxia para longe do centro, influenciando a matéria ao seu redor .
Campos magnéticos em Messier 82, ou a galáxia Charuto, são mostrados como linhas sobre uma imagem composta de luz visível e infravermelho da galáxia do Telescópio Espacial Hubble e do Telescópio Espacial Spitzer. Ventos estelares que fluem de novas estrelas quentes formam um supervento galáctico que está explodindo nuvens de gás quente (vermelho) e um enorme halo de poeira esfumaçada (amarelo/laranja) perpendicular à estreita galáxia (branco). (NASA, SOFIA, L. PROUDFIT; NASA, ESA, HUBBLE HERITAGE TEAM; NASA, JPL-CALTECH, C. ENGELBRACHT)
Em galáxias como a Messier 82, acima, também conhecida como a galáxia Charuto, você pode ver claramente (em vermelho) como uma explosão de formação estelar recente pode se traduzir em fortes ventos galácticos, que transmitem grandes quantidades de energia ao gás e plasmas encontrados no ambiente ao redor do centro galáctico. Durante longos períodos de tempo, isso pode resultar no transporte de energia e matéria não apenas das regiões internas para as regiões externas da galáxia, mas também pode expulsar totalmente o material da galáxia, removendo sua capacidade de formar novas gerações de estrelas na galáxia. futuro.
É importante ressaltar que não é isso que está acontecendo em nossa Via Láctea, pelo menos não no estudo mostrado aqui. Essas características energéticas que estamos descobrindo ainda estão localizadas nos confins da nossa galáxia, estendendo-se por até algumas centenas de anos-luz de distância do centro galáctico. Por outro lado, as maiores características que encontramos relacionadas à energia sendo transportada do centro galáctico para os arredores são conhecidas como bolhas de Fermi: plasma difuso emissor de raios-X que se estende por dezenas de milhares de anos-luz acima e abaixo do plano galáctico . Embora ambos sejam causados por fenômenos energéticos originários do centro da galáxia, não há conexão identificada entre este estudo e esses fenômenos externos.
Em ambos os lados do plano da Via Láctea, enormes bolhas de raios gama estão sendo sopradas. O espectro de energia visto indica que pósitrons foram gerados recentemente em grandes quantidades, criando bolhas com cerca de 50.000 anos-luz de extensão total. Ambos os raios gama e os raios X são gerados, alimentados pelo motor de 4 milhões de massa solar no centro da Via Láctea. (CENTRO DE VÔO ESPACIAL NASA/GODDARD)
No entanto, o que é notável sobre os campos magnéticos que deveriam estar presentes no centro da galáxia é sua força incomumente grande. Quando olhamos para as galáxias do Universo, temos uma técnica para medir a força de seus campos: um fenômeno chamado rotação de Faraday. Quando você aponta seu telescópio para uma fonte de luz de fundo no espaço, a luz normalmente não será polarizada: as polarizações dos fótons que chegarem serão aleatórias e não preferirão direções horizontais para verticais ou circulares à direita para circulares à esquerda ou vice-versa .
Se essa luz passar por uma região onde você tem um campo magnético coerente, no entanto, essa luz se tornará preferencialmente polarizada em uma direção em relação à outra, proporcional à força e direção do campo magnético. Para a maioria das galáxias onde a rotação de Faraday é detectável, observamos as forças de campo entre um nanogauss e um microgauss, em escalas de dezenas a milhares de anos-luz.
O que estamos encontrando ao longo desses filamentos, no entanto, são campos muito mais fortes: maiores que um miligauss, ou mais de 1.000 vezes mais fortes que um campo magnético galáctico típico. Espera-se que isso ocorra apenas ao longo de filamentos de rádio: plasmas térmicos finos alimentados por reconexão magnética. Quando sobrepomos dados de raios X e rádio, os dois filamentos de rádio/raios X, destacados em caixas vermelhas, se destacam claramente.
Este diagrama anotado mostra muitas regiões de interesse neste composto de raios-X/rádio do centro galáctico da Via Láctea. Embora os dados de raios-X e os dados de rádio não pareçam ter muito em comum, os dois filamentos, delineados em vermelho, representam a evidência 'arma fumegante' da reconexão magnética de filamento de rádio, dando-nos uma nova janela para o alto- Universo de energia. (RAIO X: NASA/CXC/UMASS/Q.D. WANG; RÁDIO: NRF/SARAO/MEERKAT)
O centro da nossa galáxia abriga alguns dos fenômenos físicos e astrofísicos mais interessantes ao redor, e ainda assim é enlouquecedoramente difícil de observar. De dentro de nossa própria Via Láctea, observar outros locais é tremendamente difícil por causa de toda a matéria intermediária no caminho. Gás neutro, grãos de poeira e plasmas ionizados não apenas podem bloquear uma fração significativa da luz em que estamos interessados, mas também emitem sua própria luz. Como diz o velho ditado, no entanto, o ruído de um astrônomo é os dados de outro astrônomo.
Ao alavancar imagens de rádio e raios-X de alta resolução da região central da galáxia juntas, podemos finalmente identificar os filamentos de rádio há muito procurados que mostram essas fortes características magnéticas em nossa galáxia e combinam perfeitamente com os raios-X emissão também. Os eventos de reconexão magnética que provavelmente estão por trás deles são a primeira evidência direta que temos para a previsão teórica de que análogos de explosões solares devem existir em nossa galáxia, impulsionados pelos aglomerados de estrelas jovens e quentes encontrados no centro galáctico. Com mais pesquisas, os astrônomos agora esperam aprender como os raios cósmicos aceleram, o plasma quente aquece a temperaturas ainda maiores e como a turbulência surge nesses ambientes extremos. A galáxia de alta energia, com dados de rádio e raios-X combinados, ficou muito mais fria e quente em conjunto.
Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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