Gigantische hete gasstructuren boven en onder de galactische schijf zijn waarschijnlijk te wijten aan schokgolven die zijn gegenereerd door vroegere energetische activiteit in het centrum van onze melkweg.

De eerste all-sky survey uitgevoerd door de eROSITA röntgentelescoop aan boord van het Spektrum-Roentgen-Gamma (SRG) observatorium heeft een grote zandlopervormige structuur in de Melkweg onthuld. Deze "eROSITA bubbels" vertonen een opvallende gelijkenis met de Fermi bubbels, tien jaar geleden gedetecteerd bij nog hogere energieën. De meest waarschijnlijke verklaring voor deze kenmerken is een enorme energie-injectie vanuit het galactische centrum in het verleden, wat leidt tot schokken in de hete gasomhulling van onze melkweg.

Astronomen hebben een opmerkelijke nieuwe functie ontdekt in de eerste landmeetkundige kaart die is geproduceerd door de eROSITA-röntgentelescoop op SRG:een enorme cirkelvormige structuur van heet gas onder het vlak van de Melkweg die het grootste deel van de zuidelijke hemel beslaat. Een soortgelijke structuur aan de noordelijke hemel, de "Noordpoolspoor, " is al lang bekend en men dacht dat het het spoor was van een oude supernova-explosie. Alles bij elkaar genomen, de noordelijke en de zuidelijke structuren doen in plaats daarvan denken aan een enkele zandlopervormige reeks bellen die uit het galactische centrum komen.

"Dankzij zijn gevoeligheid, spectrale en hoekresolutie, eROSITA heeft de hele röntgenhemel tot ongekende diepte in kaart kunnen brengen, de zuidelijke zeepbel ondubbelzinnig onthullen, " legt Michael Freyberg uit, een senior wetenschapper die werkt aan eROSITA bij het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE). eROSITA scant elke zes maanden de hele lucht en met de gegevens kunnen de wetenschappers zoeken naar structuren die een aanzienlijk deel van de hele lucht bedekken.

Scherpe grenzen

De grootschalige röntgenstraling die is waargenomen door eROSITA in zijn medium-energieband (0,6-1,0 keV) laat zien dat de intrinsieke grootte van de bellen enkele kiloparsecs is (of meer dan 50, 000 lichtjaar) in doorsnede, bijna net zo groot als de hele Melkweg. Deze 'eROSITA-bubbels' vertonen opvallende morfologische overeenkomsten met de bekende 'Fermi-bubbels' die door de Fermi-telescoop in gammastraling zijn gedetecteerd, maar zijn groter en energieker.

"De scherpe grenzen van deze bellen zijn hoogstwaarschijnlijk sporen van schokken veroorzaakt door de massale injectie van energie vanuit het binnenste deel van onze melkweg in de galactische halo, " wijst Peter Predehl erop, eerste auteur van de studie die nu is gepubliceerd in Nature. "Een dergelijke verklaring is eerder gesuggereerd voor de Fermi-bubbels, en nu met eROSITA is hun volledige omvang en morfologie duidelijk geworden."

Deze ontdekking zal astronomen helpen de kosmische cyclus van materie in en rond de Melkweg te begrijpen, en andere sterrenstelsels. De meeste gewone (baryonische) materie in het heelal is onzichtbaar voor onze ogen, met alle sterren en sterrenstelsels die we waarnemen met optische telescopen die minder dan 10% van de totale massa uitmaken. Grote hoeveelheden niet-waargenomen baryonische materie zullen zich naar verwachting bevinden in ijle halo's die als cocons rond de sterrenstelsels en de filamenten daartussen in het kosmische web zijn gewikkeld. Deze halo's zijn heet, met een temperatuur van miljoenen graden, en dus alleen zichtbaar met telescopen die gevoelig zijn voor hoogenergetische straling.

Enorme energieafgifte

De bellen die we nu met eROSITA zien, sporen verstoringen op in dit hete gasomhulsel rond onze Melkweg, veroorzaakt door een uitbarsting van stervorming of door een uitbarsting van het superzware zwarte gat in het galactische centrum. Terwijl het nu sluimert, het zwarte gat zou in het verleden wel eens actief kunnen zijn geweest, door het te koppelen aan actieve galactische kernen (AGN) met snelgroeiende zwarte gaten die te zien zijn in verre sterrenstelsels. In elk geval, de energie die nodig is om de vorming van deze enorme bellen aan te drijven, moet enorm zijn geweest bij 10^56 ergs, gelijk aan de energieafgifte van 100, 000 supernova's, en vergelijkbaar met schattingen van AGN-uitbarstingen.

"De littekens die door dergelijke uitbarstingen zijn achtergelaten, hebben een zeer lange tijd nodig om te genezen in deze halo's, " voegt Andrea Merloni toe, eROSITA hoofdonderzoeker. "Wetenschappers hebben in het verleden gezocht naar de gigantische vingerafdrukken van dergelijke gewelddadige activiteiten in het verleden rond vele sterrenstelsels." De eROSITA-bubbels bieden nu krachtige ondersteuning voor grootschalige interacties tussen de melkwegkern en de halo eromheen, die energiek genoeg zijn om de structuur te verstoren, energie-inhoud en chemische verrijking van het circumgalactische medium van de Melkweg.

"eROSITA voltooit momenteel de tweede scan van de hele lucht, verdubbeling van het aantal röntgenfotonen afkomstig van de bubbels die het heeft ontdekt, " wijst Rashid Sunyaev aan, Hoofdwetenschapper van het SRG Observatorium in Rusland. "We hebben een enorme hoeveelheid werk voor de boeg, omdat de eROSITA-gegevens het mogelijk maken om veel röntgenspectraallijnen te onderscheiden die worden uitgezonden door sterk geïoniseerd gas. Dit betekent dat de deur openstaat om de overvloed aan chemische elementen te bestuderen, de mate van hun ionisatie, de dichtheid en temperatuur van het emitterende gas in de bellen, en om de locaties van schokgolven te identificeren en karakteristieke tijdschalen te schatten."

Het Instituut voor Astronomie en Astrofysica (IAAT) aan de Universiteit van Tübingen is een van de kerninstellingen van het Duitse eRosita-consortium; het is betrokken geweest bij de ontwikkeling van de zeven camera's van de telescoop en andere pre-lanceringsactiviteiten, waaronder de beoordeling van de achtergrond in de baan om de aarde en simulaties van het observatorium in actie. Sinds de start van het onderzoek wetenschappers uit Tübingen hebben gewerkt aan de analyse van de gegevens zoals deze binnenkomen, gericht op galactische objecten zoals oplopende neutronensterren, zwarte gaten, supernovaresten, en, natuurlijk, de nieuw ontdekte eRosita-bubbels.

"We beginnen deze gigantische structuur pas in detail te bestuderen en er komt elke dag meer licht met extra stukjes informatie binnen naarmate het onderzoek vordert. Binnenkort zullen we de fysieke omstandigheden in verschillende delen van de bubbels kunnen onderzoeken. Dat is iets alleen eRosita kan doen, en iets dat ons hopelijk in staat zal stellen het heden en verleden van ons eigen melkwegstelsel en van de andere melkwegstelsels waar verschillende vormen van de activiteit van de kern van melkwegstelsels worden waargenomen, beter te begrijpen, " zegt Victor Dorosjenko, senior wetenschapper aan de IAAT. "Wat me het meest verbaast over deze structuur is hoe groot het is, en dat het het grootste deel van onze geschiedenis onopgemerkt bleef. Dat komt omdat alleen een röntgenfoto van de hele hemel zo'n grote structuur kan onthullen, en dat is echt een uitdaging en brengt enorme technische uitdagingen met zich mee die tot voor kort niet konden worden overwonnen. Zelfs nu, projecten van deze omvang vereisen een gezamenlijke inspanning van vele instellingen en landen, en ik ben blij dat IAAT hier competitief kan blijven, ' voegt Dorosjenko eraan toe.

De eROSITA-röntgentelescoop werd op 13 juli aan boord van de Spektr-RG-missie de ruimte in gelanceerd. 2019. Het grote verzamelgebied en het brede gezichtsveld zijn op maat gemaakt voor een diep onderzoek in de hele lucht in röntgenstralen. In de loop van zes maanden (december 2019-juni 2020) heeft SRG/eROSITA het eerste onderzoek van de hele hemel afgerond met een energie van 0,2-8 keV, aanzienlijk dieper dan de enige bestaande all-sky survey met een röntgentelescoop, uitgevoerd door ROSAT in 1990 bij energieën 0,1-2,4 keV.

Een voorlopige analyse van de hemelkaart van de eerste eROSITA all-sky survey geeft aan dat er meer dan een miljoen röntgenpuntbronnen en ongeveer 20.000 uitgebreide bronnen zijn gedetecteerd. Dit is te vergelijken met, en inderdaad kan overschrijden, het totale aantal röntgenbronnen dat bekend was vóór eROSITA. Ongeveer 80% van de puntbronnen zijn verre actieve galactische kernen (AGN), maar er zijn ook ongeveer 20% coronaal actieve sterren in de Melkweg, waaronder ongeveer 150 planeten die sterren ontvangen.