Novinky

Na čem pracujeme: Mnoho fází plynu v centru galaxie Centaurus A

Prostředí galaktických jader nabízejí nespočet možností pro studium vztahů mezi plynem, prachem, hvězdami a extrémním prostředím v okolí černé veledíry. Pozorování jádra blízké galaxie Centaurus A ukazují, že v této oblasti se vyskytují oblasti horkého a chladného plynu prakticky současně v těsném kontaktu. Tato skutečnost si ale zaslouží vysvětlení.

Označení Centaurus A si vysloužilo aktivní galaktické jádro blízké galaxie NGC 5128, která se nachází v našem sousedství ve vzdálenosti asi 3,8 megaparseku. Galaxie se nám na obloze promítá do souhvězdí Kentaura a patří mezi nejlépe probádaná jádra aktivních galaxií vůbec. Relativní blízkost a nerušený výhled nám umožňují mapovat jednotlivé roztodivné objekty nacházející se v bezprostřední blízkosti jádra, a galaxie se tak stala cílem mnoha pozorovacích kampaní v nejrůznějších spektrálních oborech, a to jak s pomocí pozemních teleskopů na povrchu Země, tak z kosmických družic na oběžné dráze. Díky bohatosti pozorování se objekt stal jakousi předlohou pro studium mezihvězdného prostředí v bezprostřední blízkosti extrémního objektu. Přítomnost aktivního galaktického jádra jednoznačně ovlivňuje vlastnosti okolního mezihvězdného prostředí pozitivní i negativní zpětnou vazbou a má vliv na přeměnu jednotlivých fází mezihvězdného plynu mezi sebou. Klíčem k pochopení složitě propletených vazeb je vznik zvláštního typu nerovnováhy v plynu – tzv. termální nestability.

Abhijeet Borkar z ASU stanul v čele mezinárodního autorského týmu, který prostřednictvím analytických úvah a počítačových simulací studoval, jak termální nestabilita přetváří vlastnosti mezihvězdného prostředí ve vnitřní části galaxie NGC 5128, konkrétně v oblasti vzdálené kolem 180 parseků od jádra. Pro toto vnitřní prostředí jsou k dispozici pozorování jak v rentgenové oblasti spektra tak z rádiových interferometrů. Tato pozorování dosvědčují, že v blízkém okolí černé veledíry spolu překvapivě koexistují jak horký tak velmi chladný plyn.

Pozorovaná aktivita galaktického jádra Cen A je v současné době velmi nízká, ale přesto jsme schopni ji zaznamenat na různých škálách a v rozličných vlnových délkách. Rentgenová pozorování z družice Chandra s dlouhými expozičními dobami umožňují rozpoznat rozsáhlé rentgenové výtrysky, rázovou vlnu, která je zdrojem rádiového záření, a mnoho individuálních rentgenových zdrojů, z nichž některé mají svoji podstatu zřejmě v rentgenových dvojhvězdách. Rozsáhlé pozadí horkého plynu zářícího v rentgenové oblasti dosahuje až do vzdáleností 6 kpc od jádra. Naproti tomu rádiová pozorování z observatoře ALMA přinášejí informace o komplexní struktuře molekulového plynu v této galaxii obecně bohaté na plyn. Na rádiových mapách lze rozpoznat okolojaderný molekulární disk, ramena molekulového plynu přecházejí v prachové proudy. Výzkum emisních čar molekulového plynu ukazuje, že část chladného materiálu ve skutečnosti napadá na jádro.

Na této práci je pozoruhodné využití celého spektra měření získaných s pomocí různých instrumentů, které posloužily jako podklad pro výpočty a simulace na počítačích. Autoři práce modelovali komplexní prostředí aktivního galaktické jádra počítačovým kódem CLOUDY, který umožňuje v požadovaných detailech popsat vývoj plynu v reakci na ozáření vnějším zdrojem. Pro to bylo ale zapotřebí zformulovat přesnější popis zářivého pole v jádru Cen A. Naštěstí jsou tato pozorování k dispozici, což autorům umožnilo vyjít z realistického profilu spektrálního rozložení zářivé energie. Dalším důležitým parametrem je celkový zářivý výkon aktivního galaktického jádra. I jeho hodnotu, resp. rozsah hodnot v období nízké a vysoké aktivity, se podařilo stanovit na základě dříve publikovaných prací. Popis zářivého pole je pro výpočet nesmírně důležitý, neboť záření podle toho, které z fyzikálních interakcí se realizují, může okolní látku jak ohřívat, tak ochlazovat. Velmi důležitá je také znalost o zastoupení a typu prachových zrn vnořených do plynného prostředí. V publikovaném modelu berou autoři v úvahu všechny důležité procesy, emise plynu nebo ionizačně-rekombinační procesy nevyjímaje.

Vzhledem k tomu, že z pozorování nelze přímo zrekonstruovat skutečné prostorové rozdělení jednotlivých složek mezihvězdného plynu a jeho parametry, autoři tedy program CLOUDY použili pro parametrickou studii, aby zjistili, jak se jednotlivé složky chovají při různých hodnotách parametrů při ozáření realistickým popisem zářivého pole v jádře Cen A. Výpočty provedené pro různého hodnoty parametrů popsané zjednodušeným modelem umožnily odhadnout citlivost modelu na jednotlivé změny.
Z výsledků vyplývá, že termální nestabilita je schopna generovat vícesložkové médium, kdy horká složka s teplotou přes milion Kelvinů zůstává v rovnováze s částečně ionizovaným plynem s teplotou deset tisíc Kelvinů zářícím ve vodíkové čáře Hα. Chladný molekulový plyn s teplotou menší než 100 K podle výpočtů nemůže dlouhodobě zůstávat v rovnováze s horkým plynem zářícím rentgenově, ale může dosáhnout rovnováhy s částečně ionizovaným plynem. Výpočet ukazuje, že pokud mají být reprodukovány pozorované intenzity emisní čáry molekuly CO, musí se odpovídající molekulové oblaky, které jsou zdrojem tohoto záření, nacházet alespoň ve vzdálenosti 50 pc o jádra.

Nejlépe lze tedy toto pozoruhodně bohaté prostředí v oblasti Cen A popsat následujícím způsobem: horké plazma dosahuje do vzdáleností asi 200 pc od jádra, což je v souladu s pozorováními z družice Chandra. Jakmile teplota klesne pod milion stupňů, už je obtížné mluvil o plynu zářícím v rentgenové oblasti. Místo toho se začínají objevovat oblaky s teplotou kolem 10 000 K zářící ve spektrální čáře Hα jako specifický důsledek termální nestability. Tyto oblaky se objevují v rozsahu vzdáleností 200 pc (to je zcela bezprašná oblast) až po asi 1 kpc, kde už je prachu větší množství. Určitý díl částečně ionizovaného plynu tvoří dlouhý výtrysk, v němž se prach nevyskytuje. Prach je zářením jádra odsunut do větších vzdáleností. Termální nestabilita umožňuje prachovým oblakům přežít v horkém prostředí a nakonec je směruje na dráhu k černé veledíře. To pak v důsledku vede k pozorovaným epizodickým nárůstům aktivity galaktického jádra.

Michal Švanda

Citace práce

A. Borkar a kol., The multi-phase environment in the centre of Centaurus A, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society v tisku, preprint arXiv:2006.01099.

Kontakt:
Dr. Abhijeet Borkar, Ph. D., abhijeet.borkar@asu.cas.cz