Kupa galaxií Perseus má stejné složení, jaké panuje v okolí Slunce

Krátce předtím, než v březnu 2016 neočekávaně ukončila svoji krátkou misi, zaznamenala japonská rentgenová kosmická observatoř Hitomi mimořádnou informaci o pohybech horkého plynu uvnitř kupy galaxií Perseus. Nyní, díky nebývalým detailům poskytnutým přístroji vyvinutými společně Japonskou kosmickou agenturou JAXA a NASA, byli astronomové schopni analyzovat mnohem detailněji chemické složení tohoto plynu. To jim umožnilo nový pohled na hvězdné exploze, které vytvořily většinu chemických prvků a vymrštily je do okolního prostoru.

Kupa galaxií v souhvězdí Persea vzdálená od Země 240 miliónů světelných roků je nejjasnější kupou galaxií při pozorování v oboru rentgenového záření a patří mezi nejhmotnější v blízkosti naší Galaxie. Obsahuje tisíce galaxií, které drží pohromadě vlastní gravitací, a které obíhají uvnitř řídkého a horkého plynu. Jeho průměrná teplota je 50 miliónů stupňů Celsia a je zahříván rentgenovou emisí kupy galaxií.

Prostřednictvím spektrometru Soft X-ray Spectrometer (SXS) s vysokým rozlišením, který byl součástí družice Hitomi, a který pracoval v oboru měkkého rentgenového záření, astronomové pozorovali kupu galaxií v období od 25. února do 6. března 2016 při souhrnné expozici v trvání 3,4 dne. Spektrometr pořídil bezprecedentní spektrum odhalující maxima rentgenového záření emitovaného rozličnými chemickými prvky při rozlišení více než 30× lepším než u dřívějších družic.

V článku publikovaném online v časopise Nature 13. 11. 2017 vědecký tým ukázal, že určitá část chemických prvků objevených v kupě galaxií je téměř identická s tím, co astronomové mohou pozorovat na Slunci a v jeho okolí.

TIP:   Exoplaneta Beta Pictoris b v průběhu času

Michael Loewenstein z University of Maryland a vědecký pracovník NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, jako spoluautor výzkumu k tomu říká: „V kupě galaxií v souhvězdí Persea však panují odlišné podmínky se zcela jinou historií v porovnání se Sluncem. Ve skutečnosti kupy galaxií představují průměrné chemické složení prvků pocházejících od mnoha různých typů hvězd v mnoha různých typech galaxií, které se zformovaly dlouho před vznikem Slunce.“

Jedna skupina chemických prvků je těsně svázána s konkrétní třídou hvězdných explozí, a to s explozemi supernov třídy Ia. Tyto exploze mohou být podle názoru vědců zodpovědné za produkci většiny chrómu, manganu, železa a niklu ve vesmíru.

Supernovy typu Ia představují celkovou destrukci bílého trpaslíka – kompaktního objektu, který je pozůstatkem vývoje hvězdy podobné Slunci. Ačkoliv je bílý trpaslík sám o sobě velmi stabilní, může prodělat překotnou termojadernou explozi, pokud tvoří společně s jinou hvězdou binární soustavu.

K takové explozi dojde buď v případě splynutí s jiným bílým trpaslíkem nebo když tvoří dvojici s blízkou normální hvězdou, kterou připraví o část její hmoty. Přemísťovaný materiál se může na povrchu bílého trpaslíka akumulovat a postupně navyšovat jeho hmotnost až do okamžiku, kdy přestane být stabilní a exploduje.

Důležitou otázkou je, jestli explodující bílý trpaslík je hmotnostně blízko limitu stability – zhruba 1,4 slunečních hmotností – bez ohledu na jeho původ. Rozdílné hmotnosti produkují odlišné množství prvků skupiny železa. Proto detailní souhrn těchto prvků v rozsáhlé oblasti vesmíru, jako je kupa galaxií v Perseovi, by mohl napovědět, jaké typy bílých trpaslíků zde explodovaly nejčastěji.

To naznačuje, že potřebujeme kombinaci explozí supernov typu Ia o různých hmotnostech, které explodovaly zhruba ve stejnou dobu, aby vytvořily pozorované množství chemických prvků v plynu uvnitř kupy galaxií v souhvězdí Persea,“ říká Hiroya Yamaguchi, vedoucí autor článku a pracovník University of Maryland a Goddard Space Flight Center. „Potvrdili jsme, že přinejmenším polovina explozí supernov typu Ia musela dosáhnout hmotností blízkých hodnotě 1,4 Slunce.“

Z objevu vyplývá, že stejná kombinace supernov typu Ia vytvořila prvky skupiny železa ve Sluneční soustavě, zrovna tak i prvky nacházející se v plynném prostředí kupy galaxií. To znamená, že jak Sluneční soustava, tak i kupa galaxií v souhvězdí Persea, absolvovaly docela podobný chemický vývoj, což naznačuje, že procesy formování hvězd – těch, které explodovaly jako supernovy typu Ia – byly srovnatelné v obou lokalitách.

Přestože to je pouze jeden příklad, není důvod pochybovat o tom, že tuto podobnost můžeme rozšířit za hranice Sluneční soustavy a kupy galaxií v Perseu i na jiné galaxie s odlišnými vlastnostmi,“ říká spoluautor článku Kyoko Matsushita, profesor fyziky na Tokyo University of Science.

Ačkoliv měla kosmická observatoř Hitomi i její převratný přístroj SXS pouze krátký život – na jejím vývoji a výrobě se společně s vědci z Goddardova střediska podíleli odborníci z několika institucí v USA, Japonsku a Nizozemí – názorně předvedla možnost rentgenové spektrometrie s vysokým rozlišením.

Hitomi nám dovolila ponořit se hlouběji do minulosti jedné z největších struktur ve vesmíru – kupy galaxií v souhvězdí Persea – a zkoumat, jak se zde částice a hmota chovaly v extrémních podmínkách,“ říká Richard Kelley, vědecký pracovník z Goddard Space Flight Center, NASA. „Naše nedávné výpočty poskytly letmý pohled na to, proč jsou určité chemické prvky přítomny i v ostatních galaxiích za hranicemi Mléčné dráhy.“

Kosmická observatoř Hitomi byla vypuštěna 17. 2. 2016. Po 38 dnech na oběžné dráze explodovala. Vědci z JAXA a NASA již pracují na opětovném získání výzkumných kapacit po ztrátě kosmické observatoře Hitomi a připravují její náhradu pod předběžným názvem X-ray Astronomy Recovery Mission (XARM), jejíž start se předpokládá v roce 2021. Její přístrojové vybavení bude podobné detektoru SXS na dřívější observatoři.

Zdroj: Hvězdárna Valašské Meziříčí, (ASTRO WATCH, NASA)
Autor: FRANTIŠEK MARTÍNEK
Foto: Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), NASA’s Goddard Space Flight Center, Robert Lupton and the Sloan Digital Sky Survey Consortium
Doporučený odkaz: Solar abundance ratios of the iron-peak elements in the Perseus cluster