Neue Einblicke in die Starburst-Galaxie M 82

M 82 ist eine Art von Galaxie, die für ihre intensive Sternentstehung bekannt ist. Man glaubt, dass diese Aktivität durch ihre Wechselwirkungen mit benachbarten Galaxien begonnen hat. Dieser Sternenausbruch erzeugt einen Wind, der Material von der Galaxie wegschiebt. Wissenschaftler haben diesen Wind mit verschiedenen Werkzeugen untersucht, die unterschiedliche Lichtarten erkennen. In dieser Studie konzentrieren wir uns auf eine spezielle Lichtart namens [C II] bei 158 Mikrometern, die uns detaillierte Informationen über das Verhalten der Galaxie gibt.

Wir präsentieren neue Beobachtungen der [C II]-Emissionslinie im zentralen Bereich und im südlichen Teil des Winds von M 82. Diese Beobachtungen wurden mit einem neuen Instrument auf einem fliegenden Teleskop namens SOFIA gemacht. Diese Studie markiert das erste Mal, dass wir die [C II]-Emission im Ausfluss von M 82 in bestimmten Entfernungen vom Zentrum der Galaxie detektiert haben. Durch den Vergleich der [C II]-Emissionen mit denen anderer Gasarten vermuten wir, dass der Grossteil der [C II]-Emissionen aus dem Ausfluss mit neutralem atomaren Gas verbunden ist.

Wir haben herausgefunden, dass nur ein kleiner Teil der [C II]-Emissionen aus M 82 ausströmt, im Vergleich zu dem anderen Gas, das anscheinend nicht aus der Galaxie entweicht. Diese Entdeckung ist wichtig für das Verständnis, wie wir ähnliche Emissionen in weit entfernten und andersartigen Galaxien detektieren.

Indem wir die Beziehung zwischen [C II] und anderen Emissionen betrachten, schätzten wir die Stärke des weitultravioletten Strahlungsfeldes in der Scheibe von M 82. Unsere Ergebnisse stimmen mit früheren Studien überein. Allerdings ist das Strahlungsfeld im Ausfluss viel schwächer, was erklären könnte, warum ein Grossteil der [C II]-Emissionen aus neutralem Gas stammt.

#Stellar Feedback und Ausflüsse

Sterne produzieren Energie und drücken diese während ihrer Lebenszeit in die Umgebung. Das nennt man stellar feedback. Dieser Prozess kann zu massiven Ausflüssen von Gas und Staub aus den Zentren von Galaxien führen, wo viele Sterne liegen. In diesen Bereichen drücken mächtige Explosionen von sterbenden Sternen, genannt Supernovae, Material aus dem Kern der Galaxie und bilden Ausflüsse.

Diese Ausflüsse nehmen oft eine bikonische Form an und variieren in ihren physikalischen Zuständen. Die kühleren Phasen dieser Winde können den Grossteil der ausströmenden Masse mitnehmen und auch den Treibstoff für zukünftige Sternentstehung liefern.

Die [C II]-Emissionslinie im fernen Infrarot ist eine der stärksten Linien, die in sternenbildenden Galaxien gefunden werden. Sie dient als primärer Kühlmechanismus für neutrales Gas im Raum und kann einen kleinen Prozentsatz der gesamten Emissionen einer Galaxie ausmachen. Neutrales Kohlenstoff kann unter verschiedenen Bedingungen ionisiert werden, was die [C II]-Linie zu einem effektiven Tracer für verschiedene Gasarten macht.

Zu untersuchen, wie die [C II]-Emission innerhalb eines durch Sternenausbrüche gesteuerten Ausflusses variiert, kann uns helfen, die Organisation und Verteilung von Gas in diesen extremen Umgebungen zu verstehen.

#Über M 82

M 82 ist ein hervorragendes Beispiel für eine Starburst-Galaxie, die ganz in unserer Nähe ist. Sie gehört zur M 81-Gruppe von Galaxien. Während sie mit ihren Nachbarn interagiert, gab es vor etwa 10 Millionen Jahren einen zentralen Anstieg der Sternentstehung, gefolgt von einem weiteren Ausbruch fünf Millionen Jahre später. Diese erhöhte Sternentstehung hat einen Wind erzeugt, der Gas aus der Galaxie drückt.

Es gibt immer noch einige Unsicherheiten darüber, ob dieser Ausfluss genug Energie hat, um vollständig ins All zu entkommen oder ob er letztendlich zur Galaxie zurückkehren wird.

Frühere Studien haben [C II]-Emissionen im Zentrum von M 82 beobachtet, aber es gab nicht genügend Daten, um ihre Präsenz im Ausfluss zu verstehen. Die früheren Beobachtungen hatten nicht die Geschwindigkeitsauflösung, die nötig war, um diesen Gasfluss effektiv zu analysieren.

#Unsere Beobachtungen

In diesem Paper präsentieren wir neue Beobachtungen mit einem fortschrittlichen Instrument an Bord von SOFIA. Dieses Instrument ermöglichte es uns, detaillierte Informationen über die [C II]-Emissionslinie sowohl in der Scheibe als auch im südlichen Ausfluss von M 82 zu sammeln.

Die Datensammlung konzentrierte sich auf die zentrale Region von M 82 und erstreckte sich bis zum südlichen Teil des Ausflusses, den wir mit hoher Geschwindigkeitsauflösung erkundet haben.

#Datenbeschreibung

Unsere Daten stammen vom upGREAT-Instrument, das speziell für die Beobachtung der [C II]-Emissionslinie entwickelt wurde. Dies umfasst eine Reihe von Beobachtungen, die über mehrere Tage stattfanden. Das Instrument nutzt ein Multi-Pixel-Array, um Informationen über den Himmel auf einmal zu gewinnen, was es effizient für die Kartierung grosser Bereiche macht.

Die Beobachtungen ermöglichten es uns zu messen, wie Licht in verschiedenen Bereichen von M 82 verhält, einschliesslich der zentralen Scheibe und der Ausflüsse. Diese Beobachtungen wurden sorgfältig kalibriert, um die Genauigkeit sicherzustellen, indem sie mit früheren Messungen verglichen wurden, um die Konsistenz zu bestätigen.

#Kartierung der Scheibe

Um die Scheibe von M 82 zu analysieren, haben wir einen zentralen Bereich gescannt, um Daten über die [C II]-Emission zu sammeln. Unsere Kartierung deckte ein Gebiet ab, das hilft zu untersuchen, wie Gas sich in diesem Teil der Galaxie verhält.

Durch die Analyse der Daten haben wir Karten erstellt, die die Intensität, Geschwindigkeiten und Breite der Emissionen zeigen. Diese Karten helfen, die Verteilung des Gases und seiner Dynamik in der Scheibe der Galaxie zu visualisieren.

#Untersuchung des Ausflusses

Um den Ausfluss zu untersuchen, haben wir einen fokussierten Ansatz verwendet und unsere Beobachtungen auf spezifische Punkte entlang des südlichen Ausflusses gerichtet. So konnten wir verfolgen, wie sich die Emissionen verhielten, während sie sich von M 82 wegbewegten.

Indem wir wichtige spektrale Eigenschaften berechneten, konnten wir quantifizieren, wie sich die Emissionen über verschiedene Distanzen veränderten. Das half uns, mehr über die Gasbestandteile im Ausfluss zu verstehen.

#Zusätzliche Daten zum Vergleich

Wir haben zusätzliche Daten aus anderen Quellen einbezogen, um unsere Studie zu bereichern. Wir verglichen die [C II]-Emissionen mit anderen Emissionen wie CO und Messungen von atomarem Gas.

Diese Vergleiche helfen zu klären, wie verschiedene Gasarten in der Galaxie koexistieren und interagieren. Wir fanden heraus, dass die Orte, an denen [C II]-Emissionen detektiert werden, auch mit Regionen von neutralem atomaren Gas übereinstimmen.

#Bewertung von molekularem Gas

Molekulare Gase sind entscheidend, um zu verstehen, wie Sterne innerhalb von Galaxien entstehen und evolvieren. Wir verwendeten CO-Emissionen als Tracer für das molekulare Gas in M 82, um die gesamte Struktur und das Verhalten des Gases zu analysieren.

Durch den Vergleich der [C II]-Daten mit CO-Messungen konnten wir bestätigen, dass der Grossteil der Emissionen aus der atomaren Phase stammt. Eine kleinere Menge war jedoch wahrscheinlich aus dem molekularen Gas, einschliesslich CO-dunklem Gas, das schwerer zu beobachten ist.

#Die Rolle des ionisierten Gases

Ein weiterer Aspekt, den wir untersuchten, war das ionisierte Gas, das im Ausfluss vorhanden ist. Während es nicht der Hauptbeitrag zu den Emissionen ist, ist es wichtig, seine Rolle zu verstehen, um ein vollständiges Bild der Gasdynamik der Galaxie zu zeichnen.

Frühere Studien hatten angedeutet, dass sich das ionisierte Gas anders verhalten könnte als atomares und molekulares Gas. Wir beobachteten, dass die ionisierten und neutralen Phasen möglicherweise nicht eng miteinander verbunden sind, da sich ihre kinematischen Eigenschaften innerhalb des Ausflusses unterschieden.

#Das FUV-Strahlungsfeld

Ein entscheidender Aspekt unserer Studie war die Schätzung des weitultravioletten (FUV) Strahlungsfeldes in M 82. Die FUV-Strahlung ist wichtig für die physikalischen Bedingungen in sternbildenden Regionen.

Anhand der gesammelten Daten verglichen wir die Intensität des emittierten Lichts unter verschiedenen Gasarten, um die Stärke des Strahlungsfeldes zu schätzen. Wir fanden heraus, dass das Strahlungsfeld in der Scheibe deutlich stärker war als im Ausfluss.

#Beiträge von verschiedenen Gasen

Zusammenfassend haben wir festgestellt, dass die meisten [C II]-Emissionen aus neutralem atomarem Gas stammen. Kleinere Beiträge kommen vom molekularen Anteil, insbesondere CO-dunklem molekularem Gas, und einige vom ionisierten Gas.

Im Ausfluss von M 82 beobachteten wir zwar starke [C II]-Emissionen, aber nur ein Bruchteil dieser Emissionen stellte Gas dar, das aktiv die Galaxie verlässt. Das führt dazu, dass wir ähnliche Beobachtungen in weiter entfernten Galaxien überdenken müssen, wo die Beziehung zwischen verschiedenen Gasphasen komplex und missinterpretiert sein kann.

#Fazit

Unsere Erkundung von M 82 liefert wertvolle Einblicke, wie durch Sternenausbrüche gesteuerte Winde funktionieren und wie verschiedene Gasphasen zu den Emissionen in einer Galaxie beitragen. Da M 82 eine nahegelegene Galaxie mit viel laufender Aktivität ist, dient sie als hervorragendes Fallbeispiel für das Verständnis der Dynamik der Sternentstehung in Galaxien.

Die Ergebnisse dieser Studie können helfen, wie wir Beobachtungen von fernen Starburst-Galaxien interpretieren. Dieses Verständnis ist entscheidend, während Astronomen weiterhin die komplexen Weisen erkunden, wie Gas, Strahlung und stellar Aktivität im Universum interagieren.

Die Auswirkungen unserer Studie erstrecken sich auf zukünftige Forschungen zum Verständnis der Rolle verschiedener Gasphasen in sternbildenden Regionen, insbesondere mit kommenden Beobachtungstechnologien. Zukünftige Missionen werden tiefere Untersuchungen ermöglichen, wie sich diese Prozesse in unterschiedlichen Umgebungen und über verschiedene Skalen hinweg verändern.