Výzkumy v AsÚ AV ČR (21): Prostorové mapování galaktického centra pomocí rentgenové polarimetrie
Přestože astronomové mají k dispozici velmi detailní pozorování vnitřních částí naší Galaxie v mnoha spektrálních oborech, celková struktura blízkého okolí galaktického středu je doposud neznámá. Objekty ležící nepochybně v různých vzdálenostech se nám promítají na nebeskou sféru a jejich skutečná poloha v prostoru tedy zůstává pozorovatelům skryta. Frédéric Marin z AsÚ a jeho spolupracovníci navrhli a otestovali metodu, která umožňuje stanovit úplnou prostorovou pozici molekulárních oblaků v centrální části Galaxie.
Střed naší Galaxie, nacházející se ve vzdálenosti 8 kiloparseků, ukrývá ve svém středu objekt označovaný Sagittarius A* (zkráceně Sgr A*), nejbližší známou černou veledíru. V jejím bezprostředním gravitačním dosahu se nachází několik oblastí tvorby hvězd a také obří molekulová oblaka. Toto prostředí činí z galaktického centra vzdálenou laboratoř pro zkoumání procesů spojených s akrecí materiálu na černé díry. V současnosti se však zdá, že aktivita tohoto komplexu je velmi nízká, podle odhadů pohltí černá díra Sgr A* sotva 10 na mínus osmou slunečních hmot ročně.
Klidový stav je ve zjevném nesouladu s rentgenovými pozorování obřích molekulových oblaků v bezprostředním okolí černé díry, označovaných jako Sgr B2 a Sgr C. Ty jsou význačnými zdroji rentgenového záření souvisejícího s fluorescencí v čarách ionizovaného železa. Zdá se, že přinejmenším část této rentgenové emise lze vysvětlit rozptylem záření z blízkého rentgenového zdroje. Ovšem vyjma Sgr A* se v této oblasti žádný dostatečně silný zdroj rentgenového záření nenachází – a i Sgr A* se v současné době jeví jako příliš slabý zdroj. Záhadu by bylo možné vysvětlit s přihlédnutím ke konečné rychlosti šíření elektromagnetických vln. V minulosti byla černá díra Sgr A* aktivnější a to, co dnes sledujeme jako rentgenové záření molekulových oblaků je ve skutečnosti odraz („prasátko“) této aktivity. Výpočty naznačují, že toto období zvýšené aktivity nastalo před pouhými 300 lety. Je zřejmé, že časování odrazu silně závisí na poloze molekulového oblaku vůči zdroji. Tu však není možné konvenčními metodami určit.
Zdá se, že jednou z možností by bylo využít skutečnosti, že při odrazu záření v molekulovém oblaku (v detailu se nejedná o prostý odraz, ale o komplikované přepracování příchozího záření) dojde k jeho částečné polarizaci. Míra polarizace záření pak závisí na vzájemné poloze zdroje a oblaku.
Frédéric Marin a jeho kolegové tedy sestavili jednoduchý model okolí galaktického středu, přičemž využili geometrických omezení plynoucích z pozorování v nejrůznějších oblastech spektra. Geometrické schéma zahrnuje zdroj Sgr A* obklopený celou stovkou oblaků vyplňujících vnitřních 5 pc Galaxie, představujících pozorovaný molekulární disk. Ve větších vzdálenostech od středu se pak nachází chladná prachová struktura, která má tvar zkrouceného prstence. Ten je v modelu reprezentován třemi stovkami zřetězených sférických oblaků s vlastnostmi (hustotou, teplotou, rychlostmi) určenými z rádiových interferometrických pozorování. Prachový prstenec připomínající při pohledu z boku symbol nekonečna – položenou osmičku – zasahuje do 100 pc od středu a je 50 pc vysoký. V modelu jsou samozřejmě zahrnuty oba velké molekulové oblaky Sgr B2 a Sgr C, jejichž pozice je odhadnuta z interferometrických i jiných pozorování.
S pomocí počítačového kódu „Stokes“, na jehož vývoji F. Marin spolupracuje, „proháněli“ autoři systémem miliardu rentgenových fotonů, jejichž vývoj a pohyb byl řešen jako přenos polarizovaného záření, tedy korektním a dosud nejpreciznějším fyzikálním přístupem. Výsledkem je předpokládaná mapa stupně a úhlu polarizace rentgenového záření v pásu energií 8-35 keV. Tato mapa zhruba odpovídá vzhledu projekce sestaveného modelu, velmi dobře je v ní patrný například prachový prstenec. Nejvýraznějšími objekty mapy jsou však reflexní mlhoviny Sgr B2 a Sgr C. V nich stupeň polarizace přesahuje dokonce hodnotu 40 %. Vzhledem k tomu, že přesné pozice těchto oblaků ani samotné černé díry Sgr A* nejsou přesně známy, autoři učinili pokus, kdy pozice těchto tří objektů mírně měnili a studovali dopad nové konfigurace na výslednou polarizační mapu. Z výsledků vyplývá, že stupeň i směr polarizace jsou na změny poloh vysoce citlivé.
To činí z metodiky velmi účinný nástroj, s jehož pomocí by bylo možné zrekonstruovat skutečnou trojrozměrnou strukturu galaktického centra. F. Marin a kolegové v práci dále diskutují další vhodné objekty, převážně molekulové oblaky, které by mohly být navrženou metodou proměřeny.
V současnosti však není na orbitě žádný přístroj, který by umožňoval měření polarizace záření ve zvolených oborech. Sonda NHXM (New Hard X-ray Mission) navržená do soutěže o slot M3 Evropské kosmické agentury ESA, kde se bohužel nedostala do užšího výběru, měla mít na palubě velmi vhodný detekční přístroj. F. Marin ukazuje, že s její pomocí bychom se o středu naší Galaxie dozvěděli nepochybně mnoho nových informací. Takto však zůstává metodika připravena pro budoucí mise. Pracovníci Astronomického ústavu se nyní podílejí na přípravě vědeckých podkladů pro nový návrh mise M4, tentokrát pod názvem XIPE – X-ray Imaging Polarimetry Explorer. Studium středu Mléčné dráhy je jedním z nejzajímavějších „tahounů“ tohoto projektu.
Reference: Marin F. a kol., Prospects of 3D mapping of the Galactic Centre clouds with X-ray polarimetry, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 441 (2014) 3170-3176, arXiv:1405.0898
Reference (2): Marin F. a kol., Probing the Galactic center with X-ray polarimetry, Proceedings of the Annual Meeting of the French Astronomical Society (2014), arXiv:1408.0354
Kontakt: Dr. Frédéric Marin, frederic.marin@asu.cas.cz
Převzato z webu Astronomického ústavu AV ČR.