Det är möjligt att du har sett Andromeda galaxen (M31) utan att ens inse det. Den massiva spiralgalaxen framträder som en grå, spindelformad klump på natthimlen, synlig med blotta ögat under de rätta förhållandena. Det är den stora galaxen som ligger närmast vår, och astronomer har studerat den mycket.
Nu har astronomer använt rymdteleskopet Hubble för att kartlägga Andromedas enorma gloria av het gas.
Forskare kallar halo av gas som omger galaxer för det cirkumgalaktiska mediet (CGM). CGM är diffust och nästan osynligt. Men när forskare får tekniken att studera den närmare, börjar de förstå den viktiga roll den spelar i galaktisk evolution. De tror att CGM är en viktig källa till stjärnbildande material och att det reglerar en galaxs gastillförsel.
'Den är full av ledtrådar om galaxens tidigare och framtida utveckling, och vi kan äntligen studera den i detalj i vår närmaste galaktiska granne.'
medutredare Samantha Berek från Yale University i New Haven, Connecticut.
I en ny studie använde ett team av forskare Cosmic Origins Spectrograph (COS) på Hubble Space Telescope (HST) för att kartlägga Andromedas CGM. Titeln på studien är ' Projekt AMIGA: The Circumgalactic Medium of Andromeda. ” Huvudförfattaren är Nicolas Lehner från University of Notre Dame i Indiana. Studien publiceras i The Astrophysical Journal.
Studien visar att Andromedas gloria är det överlägset största föremålet på natthimlen, vi kan bara inte se det. Den sträcker sig 1,3 miljoner ljusår från Andromedas centrum, som är ungefär halvvägs till vår galax. I vissa riktningar sträcker den sig ännu längre, upp till 2 miljoner ljusår. Och Andromedas gloria stöter faktiskt in i Vintergatans gloria.
På ett avstånd av 2,5 miljoner ljusår, den majestätiska spiral Andromeda-galaxen, är den så nära oss att den framstår som en cigarrformad ljusfläck högt på hösthimlen. Om dess gasformade halo kunde ses med blotta ögat, skulle den vara ungefär tre gånger så bred som den stora björnen – lätt den största egenskapen på natthimlen. Bildkredit: NASA , DETTA , J. DePasquale och E. Wheatley ( STScI ) och Z. Levay
Det finns också mycket mer detaljer i CGM än vad forskare trodde. Den har två skiktade delar: ett inre skal av gas är kapslat inuti ett yttre skal. Det inre skalet är mer dynamiskt, och det yttre skalet är hetare och smidigare. Teamet av forskare tror att det inre skalet är mer dynamiskt och turbulent på grund av utflöden från supernovor.
'Vi tycker att det inre skalet som sträcker sig till ungefär en halv miljon ljusår är mycket mer komplext och dynamiskt', förklarade studieledaren Nicolas Lehner vid University of Notre Dame i Indiana. 'Det yttre skalet är slätare och hetare. Denna skillnad är sannolikt ett resultat av påverkan av supernovaaktivitet i galaxens skiva som mer direkt påverkar den inre gloria, säger Lehner i en pressmeddelande .
Det är inte bara det dynamiska tillståndet hos den inre halo som pekar på supernovor. Det är också själva gasens sammansättning. Teamet upptäckte många tyngre grundämnen i gasen, som skapas i hjärtan på massiva stjärnor och sprids ut i rymden genom exploderande supernovor.
Gasen i CGM avger en del energi på egen hand, men det är extremt svårt att se. Forskarna studerade det genom att titta på det ultravioletta ljuset från avlägsna kvasarer när det passerar genom halo. Det ultravioletta ljuset absorberas av jordens atmosfär, så det kan inte observeras från marken. Men Hubble kan se den från sin position i Low-Earth Orbit (LEO.)
Teamet hittade 43 kvasarer som ligger 'bakom' Andromeda ur vår synvinkel. Eftersom de är utspridda över galaxens bredd och bredd kunde forskarna studera halo på flera platser. De observerade hur det ultravioletta ljuset från de avlägsna kvasarerna absorberades olika i olika regioner av CGM. Teamet använde Hubbles COS för att detektera joniserad gas från kol, kisel och syre.
Den här illustrationen visar platsen för de 43 kvasarer som forskare använde för att undersöka Andromedas gasformiga halo. Dessa kvasarer – de mycket avlägsna, lysande kärnorna i aktiva galaxer som drivs av svarta hål – är utspridda långt bakom glorian, vilket gör det möjligt för forskare att undersöka flera regioner. När de tittade genom den enorma glorian på kvasarernas ljus, observerade teamet hur detta ljus absorberas av glorian och hur den absorptionen förändras i olika regioner. Genom att spåra absorptionen av ljus som kommer från bakgrundskvasarerna kan forskare undersöka halos material. Bildkredit: NASA, ESA och E. Wheatley (STScI)
Det här är inte första gången som ledande forskare Lehner har studerat Andromeda genom att observera ljuset från avlägsna kvasarer. 2015 publicerade han och hans kollegor en pilotstudie av Andromeda baserad på ljuset från endast sex kvasarer. Den studien visade hur stor och massiv Andromedas CGM är, men den avslöjade inte hela komplexiteten. Det arbetet kallades ' Bevis för ett massivt, utökat cirkumgalaktiskt medium runt Andromedagalaxen ” och publicerades även i The Astrophysical Journal.
'Tidigare fanns det väldigt lite information - bara sex kvasarer - inom 1 miljon ljusår från galaxen. Det här nya programmet ger mycket mer information om denna inre region av Andromedas gloria”, förklarade medutredaren J. Christopher Howk, från Notre Dame. 'Det är viktigt att sondera gas inom denna radie, eftersom det representerar något av en gravitationssfär av inflytande för Andromeda.'
Teamet mätte också gasens hastighet i de inre och yttre haloerna. Det var så de bestämde att det inre skalet är mer dynamiskt än det yttre. Det inre skalet visar flera hastighetskomponenter, medan det yttre skalet endast visar en hastighetskomponent. Hastighetsmätningarna gjorde det också möjligt för dem att bestämma att den yttre halo är gravitationsbunden till Andromeda.
'Detta är banbrytande för att fånga komplexiteten hos en galaxgloria bortom vår egen Vintergatan.'
Studieledare Nicolas Lehner från University of Notre Dame i Indiana.
'Att förstå de enorma glororna av gas som omger galaxer är oerhört viktigt', förklarade medutredaren Samantha Berek från Yale University i New Haven, Connecticut. 'Denna gasreservoar innehåller bränsle för framtida stjärnbildning i galaxen, såväl som utflöden från händelser som supernovor. Den är full av ledtrådar om galaxens tidigare och framtida utveckling, och vi kan äntligen studera den i detalj i vår närmaste galaktiska granne.'
Andromeda är verkligen vår enda möjlighet att studera en CGM så detaljerat. Vår position inne i Vintergatan gör det omöjligt att studera Vintergatans egen CGM. Och ingen annan stor galax är tillräckligt nära för att vår nuvarande teknik ska kunna studera på detta sätt. Avlägsna galaxer verkar så små att det inte finns tillräckligt med bakgrundskvasarer för spektroskopi. Varje kvasar bakom en galax ger en siktlinje för forskare.
Den här bilden från studien visar platsen för avlägsna kvasarer och deras siktlinjer genom Andromedas CGM. Etiketten kallar dem QSOs eller kvasi-stellära objekt. Öppna röda cirklar är de 25 kvasarsiktlinjer som förvärvats tidigare, och fyllda cirklar är de 18 förvärvade för första gången i denna studie. De grå plustecknen är observationer av neutralt väte gjorda med Green Bank Telescope. Bildkredit: Lehner et al, 2020.
'Detta är verkligen ett unikt experiment eftersom endast med Andromeda har vi information om dess halo längs inte bara en eller två siktlinjer, utan över 40,' förklarade Lehner. 'Detta är banbrytande för att fånga komplexiteten hos en galaxgloria bortom vår egen Vintergatan.'
Även om vi inte kan studera Vintergatans CGM direkt, säger forskarna att de kan sluta sig till vissa egenskaper hos den baserat på denna studie. I sin studie skriver de 'det är troligt att MW har en sval och varm-het joniserad CGM' och att Vintergatans och Andromedas CGM 'mest troligt redan måste överlappa och interagera med varandra.'
Rymdteleskopet Hubble har en spegel på 2,4 m och rymdteleskopet James Webb har en spegel på 6,5 m. LUVOIR kommer att dvärga dem båda med en massiv spegel på 15 m. Bild: NASA
Som det ser ut just nu är Andromeda den enda galaxen som kan granskas på detta sätt. Men i framtiden kommer det att förändras. Framtida UV-rymdteleskop som LÄSA (Large UV/Optical/IR Surveyor), med sin enorma spegel på 15 m, borde göra det möjligt för forskare att studera CGM för galaxer utanför vår lokala grupp. I den meningen ger denna studie oss en glimt av några potentiella framtida resultat.
'Så Project VÄN har också gett oss en glimt av framtiden, säger Lehner.