Es ist möglich, dass Sie das gesehen haben Andromeda-Galaxie (M31) ohne es zu merken. Die massereiche Spiralgalaxie erscheint als grauer, spindelförmiger Klecks am Nachthimmel, der unter den richtigen Bedingungen mit bloßem Auge sichtbar ist. Es ist die uns am nächsten gelegene große Galaxie, und Astronomen haben sie viel untersucht.
Jetzt haben Astronomen das Hubble-Weltraumteleskop verwendet, um Andromedas enormen Halo aus heißem Gas zu kartieren.
Wissenschaftler nennen den Halo aus Gas, der Galaxien umgibt, das zirkumgalaktische Medium (CGM). Das CGM ist diffus und fast unsichtbar. Aber als Wissenschaftler die Technologie bekommen, um sie genauer zu untersuchen, beginnen sie, die wichtige Rolle zu verstehen, die sie in der galaktischen Evolution spielt. Sie glauben, dass das CGM eine wichtige Quelle für Sternentstehungsmaterial ist und die Gasversorgung einer Galaxie reguliert.
„Es ist voll von Hinweisen auf die vergangene und zukünftige Entwicklung der Galaxie, und wir sind endlich in der Lage, es in unserem nächsten galaktischen Nachbarn detailliert zu untersuchen.“
Co-Ermittlerin Samantha Berek von der Yale University in New Haven, Connecticut.
In einer neuen Studie nutzte ein Forscherteam die Spektrograph der kosmischen Ursprünge (COS) auf dem Hubble-Weltraumteleskop (HST), um das CGM von Andromeda zu kartieren. Der Titel der Studie lautet „ Projekt AMIGA: Das zirkumgalaktische Medium von Andromeda. ” Erstautor ist Nicolas Lehner von der University of Notre Dame in Indiana. Die Studie ist im Astrophysical Journal erschienen.
Die Studie zeigt, dass der Halo von Andromeda mit Abstand das größte Objekt am Nachthimmel ist, wir können es nur nicht sehen. Es erstreckt sich 1,3 Millionen Lichtjahre vom Zentrum von Andromeda, das ungefähr auf halbem Weg zu unserer Galaxie liegt. In einige Richtungen erstreckt es sich sogar noch weiter, bis zu 2 Millionen Lichtjahre. Und der Heiligenschein von Andromeda stößt tatsächlich auf den Heiligenschein der Milchstraße.
In 2,5 Millionen Lichtjahren Entfernung ist die majestätische spiralförmige Andromeda-Galaxie uns so nahe, dass sie als zigarrenförmiger Lichtfleck hoch am Herbsthimmel erscheint. Wenn sein gasförmiger Halo mit bloßem Auge zu sehen wäre, wäre er etwa dreimal so breit wie der Große Wagen – mit Abstand das größte Merkmal am Nachthimmel. Bildnachweis: NASA , DIES , J. DePasquale und E. Wheatley ( STScI ) und Z. Levay
Es gibt auch viel mehr Details im CGM, als die Forscher dachten. Es besteht aus zwei geschichteten Teilen: Eine innere Gashülle ist in eine äußere Hülle eingebettet. Die Innenschale ist dynamischer und die Außenschale ist heißer und glatter. Das Forscherteam geht davon aus, dass die innere Hülle aufgrund der Ausflüsse von Supernovae dynamischer und turbulenter ist.
„Wir finden, dass die innere Hülle, die sich auf etwa eine halbe Million Lichtjahre erstreckt, viel komplexer und dynamischer ist“, erklärt Studienleiter Nicolas Lehner von der University of Notre Dame in Indiana. „Die äußere Hülle ist glatter und heißer. Dieser Unterschied ist wahrscheinlich das Ergebnis der Auswirkungen der Supernova-Aktivität in der Scheibe der Galaxie, die sich direkter auf den inneren Halo auswirkt“, sagte Lehner in a Pressemitteilung .
Es ist nicht nur der dynamische Zustand des inneren Halos, der auf Supernovae hinweist. Es ist auch die Zusammensetzung des Gases selbst. Das Team entdeckte viele schwerere Elemente im Gas, die im Herzen massereicher Sterne entstehen und durch explodierende Supernovae ins All verbreitet werden.
Das Gas im CGM gibt selbst etwas Energie ab, aber es ist extrem schwer zu sehen. Die Forscher untersuchten es, indem sie das ultraviolette Licht entfernter Quasare beobachteten, wie es den Halo passierte. Dieses ultraviolette Licht wird von der Erdatmosphäre absorbiert und kann daher vom Boden aus nicht beobachtet werden. Aber der Hubble kann es von seiner Position im Low-Earth Orbit (LEO) aus sehen.
Das Team fand 43 Quasare, die aus unserer Sicht „hinter“ Andromeda stehen. Da sie über die Breite und Breite der Galaxie verstreut sind, konnten die Forscher den Halo an mehreren Orten untersuchen. Sie beobachteten, wie das ultraviolette Licht der entfernten Quasare in verschiedenen Regionen des CGM unterschiedlich absorbiert wird. Das Team verwendete das COS von Hubble, um ionisiertes Gas aus Kohlenstoff, Silizium und Sauerstoff zu erkennen.
Diese Abbildung zeigt den Standort der 43 Quasar-Wissenschaftler, mit denen der gasförmige Halo von Andromeda untersucht wurde. Diese Quasare – die sehr weit entfernten, leuchtenden Kerne aktiver Galaxien, die von Schwarzen Löchern angetrieben werden – sind weit hinter dem Halo verstreut, sodass Wissenschaftler mehrere Regionen untersuchen können. Beim Blick durch den riesigen Halo auf das Licht der Quasare beobachtete das Team, wie dieses Licht vom Halo absorbiert wird und wie sich diese Absorption in verschiedenen Regionen ändert. Durch die Verfolgung der Absorption von Licht, das von den Hintergrundquasaren kommt, können Wissenschaftler das Material des Halos untersuchen. Bildquelle: NASA, ESA und E. Wheatley (STScI)
Dies ist nicht das erste Mal, dass der leitende Forscher Lehner Andromeda untersucht, indem er das Licht entfernter Quasare beobachtet. 2015 veröffentlichten er und seine Kollegen eine Pilotstudie zu Andromeda, die auf dem Licht von nur sechs Quasaren basiert. Diese Studie zeigte, wie groß und massiv das CGM von Andromeda ist, aber sie offenbarte nicht die ganze Komplexität. Diese Arbeit hieß „ Beweise für ein massives, ausgedehntes zirkumgalaktisches Medium um die Andromeda-Galaxie “ und wurde auch im The Astrophysical Journal veröffentlicht.
„Früher gab es nur sehr wenige Informationen – nur sechs Quasare – im Umkreis von 1 Million Lichtjahren um die Galaxie. Dieses neue Programm bietet viel mehr Informationen über diese innere Region des Heiligenscheins von Andromeda“, erklärte Co-Ermittler J. Christopher Howk von Notre Dame. „Die Sondierung von Gas innerhalb dieses Radius ist wichtig, da es für Andromeda so etwas wie einen gravitativen Einflussbereich darstellt.“
Das Team maß auch die Geschwindigkeit des Gases in den inneren und äußeren Halos. So haben sie festgestellt, dass die Innenschale dynamischer ist als die Außenschale. Die Innenschale zeigt mehrere Geschwindigkeitskomponenten, während die Außenschale nur eine Geschwindigkeitskomponente zeigt. Durch die Geschwindigkeitsmessungen konnten sie auch feststellen, dass der äußere Halo gravitativ an Andromeda gebunden ist.
„Dies ist bahnbrechend, um die Komplexität eines Galaxienhalos jenseits unserer eigenen Milchstraße einzufangen.“
Studienleiter Nicolas Lehner von der University of Notre Dame in Indiana.
„Das Verständnis der riesigen Gashalos, die Galaxien umgeben, ist immens wichtig“, erklärte die Mitforscherin Samantha Berek von der Yale University in New Haven, Connecticut. „Dieses Gasreservoir enthält Treibstoff für die zukünftige Sternentstehung innerhalb der Galaxie sowie Abflüsse von Ereignissen wie Supernovae. Es ist voll von Hinweisen auf die vergangene und zukünftige Entwicklung der Galaxie, und wir sind endlich in der Lage, es in unserem nächsten galaktischen Nachbarn detailliert zu untersuchen.“
Andromeda ist wirklich unsere einzige Gelegenheit, ein CGM so detailliert zu studieren. Unsere Position innerhalb der Milchstraße macht es unmöglich, das eigene CGM der Milchstraße zu studieren. Und keine andere große Galaxie ist nah genug für unsere aktuelle Technologie, um auf diese Weise zu untersuchen. Entfernte Galaxien erscheinen so klein, dass es nicht genügend Hintergrundquasare für die Spektroskopie gibt. Jeder Quasar hinter einer Galaxie bietet Wissenschaftlern eine Sichtlinie.
Dieses Bild aus der Studie zeigt die Position entfernter Quasare und ihre Sichtlinien durch Andromedas CGM. Das Label nennt sie QSOs oder quasi-stellare Objekte. Offene rote Kreise sind die 25 Quasar-Sichtlinien, die zuvor erfasst wurden, und gefüllte Kreise sind die 18, die zum ersten Mal in dieser Studie erfasst wurden. Die grauen Pluszeichen sind neutrale Wasserstoffbeobachtungen, die mit dem Green Bank Telescope gemacht wurden. Bildquelle: Lehner et al., 2020.
„Dies ist wirklich ein einzigartiges Experiment, denn nur mit Andromeda haben wir Informationen über seinen Halo nicht nur entlang einer oder zwei Sichtlinien, sondern über 40“, erklärt Lehner. „Dies ist bahnbrechend, um die Komplexität eines Galaxienhalos jenseits unserer eigenen Milchstraße einzufangen.“
Auch wenn wir das CGM der Milchstraße nicht direkt untersuchen können, sagen die Forscher, dass sie aus dieser Studie auf bestimmte Eigenschaften schließen können. In ihrer Studie schreiben sie „es ist wahrscheinlich, dass das MW ein ähnlich kühles und warm-heißes ionisiertes CGM hat“ und dass das CGM der Milchstraße und Andromeda „sich höchstwahrscheinlich bereits überlappen und miteinander interagieren müssen“.
Das Hubble-Weltraumteleskop hat einen 2,4-m-Spiegel und das James-Webb-Weltraumteleskop einen 6,5-m-Spiegel. LUVOIR wird sie beide mit einem massiven 15-Meter-Spiegel in den Schatten stellen. Bild: NASA
Andromeda ist derzeit die einzige Galaxie, die auf diese Weise untersucht werden kann. Aber in Zukunft wird sich das ändern. Zukünftige UV-Weltraumteleskope wie LESEN (Large UV/Optical/IR Surveyor) mit seinem riesigen 15-Meter-Spiegel sollte es Wissenschaftlern ermöglichen, die CGMs von Galaxien außerhalb unserer Lokalen Gruppe zu untersuchen. In diesem Sinne gibt uns diese Studie einen Einblick in einige potenzielle zukünftige Ergebnisse.
„So Projekt FREUND hat uns auch einen Ausblick in die Zukunft gegeben“, sagte Lehner.
