XRISM misst erstmals die Geschwindigkeit des überhitzten galaktischen Winds von M82

Eine direkte Messung an einer berühmten Starburst-Galaxie

Astronomen haben erstmals die Geschwindigkeit des überhitzten Gases direkt gemessen, das aus der Starburst-Galaxie M82 ausströmt, und zwar mit dem Instrument Resolve an Bord des Raumfahrzeugs XRISM. Das Ergebnis bietet Forschern eine neue Möglichkeit, langjährige Vorstellungen darüber zu testen, wie intensive Sternentstehung und Supernova-Aktivität mächtige Winde antreiben können, die ganze Galaxien prägen.

Nach Angaben der NASA bewegt sich das Material mit mehr als 2 Millionen Meilen pro Stunde, also mit über 3 Millionen Kilometern pro Stunde. Forscher sagen, dass das schnell genug ist, um als Hauptantrieb des bereits bekannten, kühleren großräumigen Ausflusses zu dienen, der sich über Zehntausende Lichtjahre vom Zentrum der Galaxie aus erstreckt. Die Ergebnisse wurden am 25. März in Nature veröffentlicht.

M82, oft als Zigarrengalaxie bezeichnet, liegt etwa 12 Millionen Lichtjahre entfernt im Großen Bären. Sie wird als Starburst-Galaxie eingestuft, weil sie Sterne in einer ungewöhnlich hohen Rate bildet, etwa zehnmal schneller als die Milchstraße bei einer Galaxie ihrer Größe. Diese intensive Aktivität hat sie zu einem der besten Labore gemacht, um zu verstehen, wie Sterne und Sternexplosionen das Gas in Galaxien umformen und Materie zurück in den intergalaktischen Raum treiben.

Warum das Ergebnis wichtig ist

Seit Jahren arbeiten Astronomen mit einem klassischen Modell für Starburst-Galaxien: Energie aus Sternentstehung und Supernova-Schockwellen erhitzt Gas nahe dem galaktischen Zentrum, und dieses heiße Gas löst einen Ausfluss aus, der einen viel größeren galaktischen Wind antreibt. Bis jetzt fehlten jedoch die direkten Geschwindigkeitsmessungen, um diese Idee in M82 mit Vertrauen zu testen.

XRISM ändert das. NASA sagte, die neuen Beobachtungen zeigten, dass sich das heiße Gas sogar noch schneller bewegt als von einigen Modellen vorhergesagt. Das macht die Entdeckung für mehr als nur eine nahe Galaxie relevant. Galaktische Winde beeinflussen, wie Galaxien wachsen, wie lange sie weiter Sterne bilden, wie sie schwere Elemente verteilen und wie sie mit ihrer Umgebung interagieren. Wenn Astronomen die Geschwindigkeit und Zusammensetzung dieser Winde genauer messen können, verstehen sie die Rückkopplungsprozesse, die die Galaxienentwicklung regulieren, besser.

Erin Boettcher von der University of Maryland, College Park, und dem Goddard Space Flight Center der NASA, die die Arbeit leitete, sagte, die Mission habe erstmals die Möglichkeit geboten, die benötigten Geschwindigkeitsmessungen zu erhalten. In der NASA-Zusammenfassung stützt das Ergebnis die Annahme, dass die heiße Komponente des Ausflusses genug Energie besitzt, um Material bis in die äußeren Bereiche der Galaxie zu treiben.

Die Stärke von XRISMs Resolve-Instrument

Die Messung beruhte auf der hochauflösenden Röntgenspektroskopie von XRISM. Die Mission, geleitet von der JAXA in Zusammenarbeit mit NASA und mit Beiträgen der ESA, ist darauf ausgelegt, heiße, energiereiche Phänomene im gesamten Universum zu untersuchen. NASA und JAXA haben außerdem das für diese Arbeit verwendete Instrument Resolve gemeinsam entwickelt.

Diese Fähigkeit ist wichtig, weil das heißeste Gas in Systemen wie M82 in Röntgenstrahlung emittiert. Durch die Untersuchung feiner Verschiebungen in diesen Emissionen können Astronomen berechnen, wie schnell sich das Gas bewegt. In diesem Fall ermöglichte Resolve den Forschern, eine Komponente des galaktischen Winds zu messen, die zuvor nur schwer direkt zu quantifizieren war.

Das Ergebnis verbindet das gewalttätige zentrale Umfeld von M82 mit seiner viel größeren sichtbaren Struktur. Die Galaxie ist bereits für einen kühlen Wind aus Gas und Staub bekannt, der sich bis zu 40.000 Lichtjahre vom Zentrum erstreckt. Die neuen XRISM-Daten legen nahe, dass ein viel heißerer und schnellerer Strom aus dem Zentrum der Hauptantrieb hinter diesem größeren Phänomen ist.

Eine Galaxie unter extremem Druck

Das Zentrum von M82 ist ein außergewöhnlich aktiver Ort. Rasche Sternentstehung bedeutet, dass mehr massereiche Sterne geboren werden, und massereiche Sterne leben schnell und sterben explosiv. Diese Supernovae, zusammen mit der Turbulenz und der Strahlung, die mit der intensiven Sterngeburt verbunden sind, pumpen enorme Energiemengen in die Umgebung. Das Ergebnis ist ein Kessel aus heißem Gas, der Materie mit außergewöhnlicher Geschwindigkeit nach außen schleudern kann.

Dieser Prozess ist eine der wichtigsten Formen von Rückkopplung in der Astrophysik. Würden Galaxien ungehemmt Sterne bilden, würden sie ihr Gas anders verbrauchen, als es in der Realität der Fall ist. Von Sternen, Schwarzen Löchern oder beiden angetriebene Winde helfen, den Kreislauf zu regulieren, indem sie Gas erhitzen, entfernen und neu verteilen. M82 bietet einen Nahblick auf einen dieser Motoren in Aktion.

Das neue Ergebnis zeigt auch, warum Multi-Observatoriums-Astronomie wichtig ist. NASA verknüpfte die XRISM-Ankündigung mit Bildern von Chandra, Hubble, Spitzer und Webb, die zusammen verschiedene Komponenten von M82 zeigen, von heißen, Röntgenstrahlung emittierenden Regionen bis zu kälterem Staub und Sternenlicht. XRISM ergänzt dieses Bild um etwas besonders Wertvolles: direkte Geschwindigkeitsinformationen über das heißeste Gas.

Was Forschende als Nächstes lernen können

Die Arbeit vom 25. März ist ein wichtiger Schritt, aber auch ein Anfang. Sobald Astronomen die Geschwindigkeit heißer Winde in einer gut untersuchten Starburst-Galaxie messen können, können sie diese Beobachtungen mit Modellen der Galaxienentwicklung und mit anderen Galaxien mit unterschiedlichen Sternentstehungsraten und Strukturen vergleichen. Das könnte helfen zu klären, wann heiße Winde entweichen, wann sie ins Stocken geraten und wie effizient sie Masse und Energie aus den galaktischen Zentren abtransportieren.

Es könnte auch das Verständnis dafür verbessern, wie chemische Elemente in Galaxien gemischt und in den umgebenden Raum ausgestoßen werden. Von Supernovae angetriebene Winde tun mehr, als nur Material zu entfernen. Sie transportieren die Produkte der Sternentwicklung und helfen so, breitere kosmische Umgebungen mit schwereren Elementen anzureichern, die in Sternen entstanden sind.

Vorläufig ist die zentrale Schlussfolgerung klar. Astronomen haben endlich die Geschwindigkeit des überhitzten Gases gemessen, das aus M82s Kern hervorschießt, und die Zahlen deuten darauf hin, dass der Ausfluss mehr als in der Lage ist, den berühmten Wind anzutreiben, der weit über die Galaxie selbst hinausreicht. Damit wird ein langjähriges Bild zu einem gemessenen Ergebnis, und es zeigt, wie XRISM ein neues Fenster auf das heiße, dynamische Universum öffnen kann.

Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von science.nasa.gov. Den Originalartikel lesen.