Výzkumy v ASU AV ČR (221): Rentgenové záření větrů v hvězdokupách

Horký plyn v oblastech s tvorbou hvězd je jedním  ze zdrojů rentgenového záření v galaxiích s aktivní tvorbou hvězd. Jsou ale i jiné potenciální zdroje rentgenového záření v galaxiích jako například horké koróny aktivních galaktických jader nebo rentgenové dvojhvězdy. Relativní důležitost každého z tohoto jevů je obecně neznámá a zřejmě úzce souvisí se specifickými podmínkami v té které galaxii. Do hry mohou vstupovat i další, nerozlišené zdroje, jako např. málo hmotné rentgenové dvojhvězdy, horké nebo velmi mladé hvězdy. Některé studie předpokládají, že nejdříve zmiňovaný horký plyn přispívá do celkového rentgenového záření méně než třetinou. 

Poměrně nedávno byl vědci oznámen objev vzdálených galaxií s překotnou tvorbou hvězd, označované jako Zelené hrášky. Tyto galaxie svými vlastnostmi velmi připomínají jiné galaxie, které se však nacházejí v kosmologických vzdálenostech odpovídajících epoše reionizace vesmíru. Zelené hrášky mají nízkou metalicitu, nízkou hmotnost a divokou tvorbu hvězd. Pracovníci ASU (především J. Svoboda, I. Orlitová a další) se Zelenými hrášky intenzivně zabývají a nedávno zjistili, že rentgenové záření v nich vznikající má čtyřikrát až šestkrát větší intenzitu, než odpovídá empirickým pravidlům zjištěným pro jiné galaxie. Co je původem tohoto přebytku, není v tuto chvíli vůbec jasné. Otázkou je, zda by za to nemohlo být odpovědné právě rentgenové záření horkého plynu v mladých hvězdokupách. 

Přebytek rentgenového záření u těchto typů galaxií je zajímavý pro modely vývoje celého vesmíru. Víme, že raný vesmír byl velmi horký a tedy ionizovaný. Přibližně 380 000 let po velkém třesku se ale vesmír expanzí ochladil natolik, že se stal neutrální. Dnes je ale naprostá většina hmoty ve vesmíru opět ionizovaná, a pozorování ukazují, že k re-ionizaci došlo několik set milionů let po velkém třesku. Nevíme ale, jak k tomu došlo, a rentgenové (a ultrafialové) záření galaxií typu Zelených hrášků je pro původce re-ionizace žhavým kandidátem.

Annika Franeck, postdoktorandka pobývající v rámci skupiny Fyziky galaxií Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU, vedla teoretickou studii, jejímž cílem bylo s pomocí numerických simulací realisticky odhadnout možné množství rentgenového záření vznikajícího tímto způsobem. Tým využil existujících numerických kódů, které již v minulosti použil pro simulaci vývoje celkového hvězdného větru v masivní mladé hvězdokupě. V ní vznikají hvězdné větry nejen u hmotných horkých hvězd, ale také výbuchy supernov, přičemž tyto události typicky vedou ke vzniku celkového hvězdného větru z hvězdokupy. V tomto větru často vznikají rázové vlny, které ještě významněji ohřívají látku v hvězdokupě a jejím okolí, a horký plyn se stává významným zdrojem rentgenového záření, jehož tok zejména v měkkém pásmu 0,5–2,0 keV je tak možné vypočítat. 

Jenže není hvězdokupa jako hvězdokupa, a stejně tak ne každá galaxie má stejné zastoupení hvězdokup. Zrovna tak je třeba nezapomenout na to, že hvězdy se vyvíjejí, a tak dochází k neustálému kolování látky mezi plynnou fází a hvězdami. To vše bylo třeba v numerických simulacích zohlednit. 

V prvé řadě pro každou uvažovanou hvězdokupu autoři stanovili rozdělení hvězd podle hmotnosti, přičemž k tomuto rozdělení použili empiricky určenou hmotnostní funkci. Bylo tak možné vytvořit hvězdy s hmotnostmi od 0,01 do 120 hmotností Slunce. Jejich prostorové rozložení v hvězdokupě též odpovídalo empiricky známým pravidlům. Hvězdný vývoj byl zohledněn s použitím již publikovaných hvězdných modelů, modely byly počítány s menší než sluneční metalicitou, a to hned pro několik jejích hodnot. Z hlediska vývoje hvězd byly nejdůležitějšími výbuchy supernov, které jednak přispívají k celkovému větru z hvězdokupy, a pak také mění chemické složení okolní látky. A v neposlední řadě bylo třeba „rozdělit“ jednotlivé hvězdokupy v myšlené galaxii, což se opět neobešlo bez potřebných empirických pravidel stanovených z pozorování skutečných galaxií. Vše navíc ještě záviselo na předpokládané rychlosti tvorby hvězd, která je dalším parametrem celé simulace.

Tímto postupem autoři vytvořili mnoho realizací modelové galaxie, pro niž bylo možné studovat vystupující rentgenové záření a hodnotit důležitost jeho jednotlivých komponent a hodnotit je s ohledem na volné parametry vstupující do simulace. 

Výsledky celého experimentu jsou velmi zajímavé. Například z něj vyplynulo, že pokud se vezmou v úvahu hvězdy s vyšší metalicitou, je celková produkce rentgenového záření větší. Je to mimo jiné proto, že hvězdy s vyšší metalicitou mají významnější ztrátu hmoty, a proto je rentgenové záření takových hvězdokup intenzivnější. Celkové záření galaxie s překotnou tvorbou hvězd je dominováno mladými velmi masivními hvězdokupami, ty méně hmotné přispívají méně. 

Celkově je ovšem závěrem práce, že rentgenové záření horkého plynu v hvězdokupách s intenzivní tvorbou hvězd nedokáže vysvětlit pozorovaný přebytek vysokoenergetického záření Zelených hrášků. Zde jsou tedy příčinou zjevně jiné zdroje, což by mohla objasnit budoucí pozorování s vyšším prostorovým rozlišením. V úvahu totiž připadá například nezvykle vysoké množství rentgenových dvojhvězd nebo snad nerozlišené kompaktní objekty, jako třeba černé díry středních hmotností nebo zdroje v aktivních jádrech galaxií. 

REFERENCE

A. Franeck, R. Wünsch a kol, X-Ray Emission from Star-cluster Winds in Starburst Galaxies, Astrophysical Journal 927 (2022) article id. 212, preprint arXiv:2201.12339. 

KONTAKTY

Dr. Annika Franeck
annika.franeck@asu.cas.cz
Mgr. Richard Wünsch, Ph.D.
richard.wunsch@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.