Τομογραφία του Γαλαξία μας μέσω ακτίνων Χ: τα δαχτυλίδια της ισχυρής έκλαμψης ακτίνων γάμμα 221009A

Άρθρο της Μαρίας Πετροπούλου, Επίκουρης Καθηγήτριας Τμήματος Φυσικής, ΕΚΠΑ

Μετάφραση στα Ελληνικά: Δέσποινα Καράβολα, Μεταπτυχιακή φοιτήτρια Τμήματος Φυσικής, ΕΚΠΑ

Η κοσμική σκόνη αποτελείται από ποικίλα στοιχεία, όπως άνθρακα, οξυγόνο και πυριτικές ενώσεις. Είναι βασικό στοιχείο του αστρικού κύκλου της ζωής: τα άστρα παράγουν την σκόνη καθώς γερνούν ή όταν εκρήγνυνται ως υπερκαινοφανείς αστέρες, εμπλουτίζοντας το διάστημα με στοιχεία βαρύτερα από το υδρογόνο και το ήλιο, γεννώντας νέες γενιές αστεριών και πλανητών γύρω από αυτά.

Τα σωματίδια σκόνης είναι συνήθως μικρά, ξεκινώντας από τάξη μεγέθους μορίων και φτάνοντας έως και μερικά μικρόμετρα. Η σκόνη αλληλεπιδρά με το φως (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) με διαφορετικούς τρόπους, όπως η απορρόφηση και η σκέδαση, ανάλογα με το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και τις ιδιότητες των σωματιδίων της σκόνης (μέγεθος, σχήμα, δείκτης διάθλασης). Ενώ το οπτικό φως απορροφάται από τη σκόνη, οι ακτίνες Χ με ενέργειες άνω του 1 keV (ή μήκος κύματος μικρότερο του 1 μm) κατά κύριο λόγο σκεδάζονται από κόκκους σκόνης με μέγεθος περίπου 0.1 μm. Ως αποτέλεσμα, οι προσπίπτουσες ακτίνες Χ αλλάζουν κατεύθυνση όπως φαίνεται στο σκίτσο και ανιχνεύονται με κάποια χρονική καθυστέρηση ως προς τα φωτόνια ακτίνων Χ που φτάνουν απευθείας από την πηγή χωρίς να σκεδαστούν. Το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία ενός “φωτοστέφανου” ή μιας άλω γύρω από την κεντρική πηγή. Όταν η πηγή ακτίνων Χ είναι χρονικά μεταβλητή σε ένταση, τότε η άλως διαχωρίζεται σε διακριτούς δακτυλίους (βλ Εικ. 1, δεξιό πλαίσιο).

Το γωνιακό άνοιγμα του δακτυλίου εξαρτάται από την απόσταση στην οποία βρίσκεται το νέφος σκόνης, με τα πιο απομακρυσμένα στρώματα να παράγουν μικρότερους δακτυλίους.

Εντοπίζοντας κορυφές στο γωνιακό προφίλ ακτίνων Χ (αριστερό πλαίσιο, Εικ. 1) μπορούμε να συμπεράνουμε τον αριθμό των στρωμάτων σκόνης που τέμνουν την ευθεία παρατήρησης μας. Χρησιμοποιώντας τις θέσεις των εξαχθεισών κορυφών μπορούμε στη συνέχεια να μοντελοποιήσουμε την χρονική εξέλιξη της ακτίνας του δακτυλίου και να εξαγάγουμε το χρόνο της της έκλαμψης ακτίνων Χ και τις αποστάσεις των στρωμάτων σκόνης. Τέλος, μετρώντας τον λόγο των ροών ακτίνων Χ των δακτυλίων, μπορούμε να υπολογίσουμε τη σχετική αναλογία της περιεκτικότητας σε σκόνη, αφού η ένταση ενός δακτυλίου είναι ανάλογη με την ποσότητα της κοσμικής σκόνης στο στρώμα.

Στις 9 Οκτωβρίου 2022 το Παρατηρητήριο Neils Gehrels Swift ανίχνευσε το GRB 221009A, μια ασυνήθιστα φωτεινή έκρηξη ακτίνων γάμμα (GRB) σε απόσταση 2.4 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Λόγω της υψηλής φωτεινότητάς του και της εγγύτητάς του στη Γη, το GRB 221009A αναφέρθηκε ως το GRB του αιώνα. Οι παρατηρήσεις που πάρθηκαν με το τηλεσκόπιο ακτίνων Χ (XRT) στο Swift έως και 3.5 ημέρες μετά το γεγονός αποκάλυψαν την παρουσία πολλαπλών δακτυλίων γύρω από την πηγή (Εικ. 1).

Ο Γ. Βασιλόπουλος, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο CNRS/Strasbourg, σε συνεργασία με τους Δ. Καράβολα (υποψήφια MSc στην Αστροφυσική, ΕΚΠΑ), Σ. Ι. Σταθόπουλος (υποψήφιος διδάκτορας Φυσικής, ΕΚΠΑ), και εγώ αναλύσαμε δημόσια διαθέσιμα δεδομένα XRT για τη μελέτη της Γαλαξιακής σκόνης προς την κατεύθυνση αυτού του σπάνιου GRB. Βρήκαμε συνολικά 15 στρώματα σκόνης που εκτείνονται σε βάθος περίπου 25 kpc — αυτό είναι το μεγαλύτερο εύρος απόστασης που έχει ανιχνευθεί από δακτυλίους σκέδασης ακτίνων Χ μέχρι στιγμής, και είναι συγκρίσιμο με τη διάμετρο του Γαλαξία. Συγκρίνοντας τις σχετικές ροές σκεδαζόμενης ακτινοβολίας των πέντε πιο εξεχόντων δακτυλίων, δείξαμε ότι το στρώμα με τη μεγαλύτερη ποσότητα σκόνης βρίσκεται σε απόσταση περίπου 1.1 kpc από εμάς. Οι παρατηρήσεις συμφωνούν με φαινόμενα σκέδασης από κόκκους σκόνης με μέγιστο μέγεθος 0.3 μm και μία κατανομή νόμου δύναμης που εκτείνεται σε μικρότερα μεγέθη. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματά μας υπογραμμίζουν τη δυνατότητα της τομογραφίας ακτίνων Χ να χαρτογραφήσει την περιεκτικότητα σκόνης του Γαλαξία μας.

Vasilopoulos G., Karavola D., Stathopoulos S. I., Petropoulou M., “Dust-scattering rings of GRB 221009A as seen by the Neil Gehrels Swift satellite: can we count them all?”, 2023, MNRAS

Open access άρθρο: http://arxiv.org/abs/2302.02383