Gigantiska heta gasstrukturer ovanför och under den galaktiska skivan beror troligen på chockvågor som genererats av tidigare energisk aktivitet i mitten av vår galax.

Den första undersökningen som utfördes av röntgenteleskopet eROSITA ombord på Spektrum-Roentgen-Gamma (SRG) observatoriet har avslöjat en stor timglasformad struktur i Vintergatan. Dessa "eROSITA-bubblor" visar en slående likhet med Fermi-bubblorna, upptäcktes för ett decennium sedan vid ännu högre energier. Den mest troliga förklaringen till dessa egenskaper är en massiv energiinjektion från det galaktiska centret i det förflutna, leder till stötar i vår galax heta gashölje.

Astronomer har upptäckt en anmärkningsvärd ny funktion i den första kartan över himlen som producerats av röntgenteleskopet eROSITA på SRG:en enorm cirkulär struktur av het gas under Vintergatans plan som upptar större delen av den södra himlen. En liknande struktur på den norra himlen, "Norra polsporren, " har varit känt under lång tid och hade ansetts vara spåret av en gammal supernovaexplosion. Sammantaget, de norra och södra strukturerna påminner istället om en enda timglasformad uppsättning bubblor som kommer ut från det galaktiska centrumet.

"Tack vare dess känslighet, spektral och vinkelupplösning, eROSITA har kunnat kartlägga hela röntgenhimlen till ett aldrig tidigare skådat djup, avslöjar den södra bubblan otvetydigt, " förklarar Michael Freyberg, en senior forskare som arbetar med eROSITA vid Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE). eROSITA skannar hela himlen var sjätte månad och data gör det möjligt för forskarna att leta efter strukturer som täcker en betydande del av hela himlen.

Skarpa gränser

Den storskaliga röntgenstrålningen som observerats av eROSITA i dess medelenergiband (0,6-1,0 keV) visar att bubblornas inneboende storlek är flera kiloparsec (eller upp 50, 000 ljusår) tvärs över, nästan lika stor som hela Vintergatan. Dessa 'eROSITA-bubblor' visar slående morfologiska likheter med de välkända "Fermi-bubblor" som upptäckts i gammastrålar av Fermi-teleskopet, men är större och mer energiska.

"De skarpa gränserna för dessa bubblor spårar troligen chocker orsakade av den massiva injiceringen av energi från den inre delen av vår galax in i den galaktiska halo, " påpekar Peter Predehl, första författaren till studien som nu publicerats i Nature. "En sådan förklaring har tidigare föreslagits för Fermi-bubblorna, och nu med eROSITA har deras fulla omfattning och morfologi blivit uppenbar."

Denna upptäckt kommer att hjälpa astronomer att förstå materiens kosmiska cykel i och runt Vintergatan, och andra galaxer. Det mesta av den vanliga (baryoniska) materien i universum är osynlig för våra ögon, med alla stjärnor och galaxer som vi observerar med optiska teleskop som utgör mindre än 10 % av dess totala massa. Enorma mängder av oobserverad baryonisk materia förväntas finnas i tunna haloer som lindas som kokonger runt galaxerna och filamenten mellan dem i det kosmiska nätet. Dessa halo är varma, med en temperatur på miljoner grader, och alltså endast synliga med teleskop som är känsliga för högenergistrålning.

Enorma energiutsläpp

Bubblorna som nu ses med eROSITA spårar störningar i detta heta gashölje runt vår Vintergatan, orsakas antingen av ett utbrott av stjärnbildning eller av ett utbrott från det supermassiva svarta hålet i det galaktiska centrumet. Medan den är vilande nu, det svarta hålet kunde mycket väl ha varit aktivt tidigare, kopplar den till aktiva galaktiska kärnor (AGN) med snabbt växande svarta hål som ses i avlägsna galaxer. I vilket fall, energin som behövdes för att driva bildandet av dessa enorma bubblor måste ha varit enorm vid 10^56 ergs, motsvarande energiutsläppet på 100, 000 supernovor, och liknande uppskattningar av AGN-utbrott.

"Ären efter sådana utbrott tar väldigt lång tid att läka i dessa haloer, " tillägger Andrea Merloni, eROSITA huvudutredare. "Forskare har letat efter de gigantiska fingeravtrycken av sådan tidigare våldsam aktivitet runt många galaxer tidigare." eROSITA-bubblorna ger nu starkt stöd för storskaliga interaktioner mellan galaxens kärna och halon runt den, som är tillräckligt energiska för att störa strukturen, energiinnehåll och kemisk anrikning av Vintergatans cirkumgalaktiska medium.

"eROSITA slutför för närvarande den andra skanningen av hela himlen, dubbla antalet röntgenfotoner som kommer från bubblorna som den har upptäckt, " påpekar Rashid Sunyaev, Ledande forskare vid SRG-observatoriet i Ryssland. "Vi har ett enormt arbete framför oss, eftersom eROSITA-data gör det möjligt att peka ut många röntgenspektrallinjer som emitteras av starkt joniserad gas. Detta innebär att dörren är öppen för att studera överflöd av kemiska grundämnen, graden av deras jonisering, densiteten och temperaturen hos den emitterande gasen i bubblorna, och att identifiera ställen för stötvågor och uppskatta karakteristiska tidsskalor."

Institutet för astronomi och astrofysik (IAAT) vid universitetet i Tübingen är en av kärninstitutionerna i det tyska eRosita-konsortiet; det har varit involverat i utvecklingen av teleskopets sju kameror och andra aktiviteter före lanseringen, inklusive bedömning av bakgrunden i omloppsbana och simuleringar av observatoriet i aktion. Sedan undersökningens början, forskare från Tübingen har arbetat med analys av data när de kommer, med fokus på galaktiska objekt som anhopande neutronstjärnor, svarta hål, supernovarester, och, självklart, de nyupptäckta eRosita-bubblorna.

"Vi har precis börjat studera denna gigantiska struktur i detalj och mer ljus som bär extra informationsbitar kommer varje dag allt eftersom undersökningen fortskrider. Snart kommer vi att kunna undersöka de fysiska förhållandena i olika delar av bubblorna. Det är bara något eRosita kan göra, och något som förhoppningsvis kommer att tillåta oss att bättre förstå nutiden och det förflutna för vår egen galax och de andra galaxerna där olika former av galaxens kärnaktivitet observeras, säger Victor Dorosjenko, senior forskare vid IAAT. "Det som förvånar mig mest med den här strukturen är hur stor den är, och att det förblev obemärkt genom större delen av vår historia. Det beror på att endast en röntgenvy från himlen kan avslöja en så stor struktur, och det är verkligen utmanande och innebär enorma tekniska utmaningar som inte kunde övervinnas förrän nyligen. Även nu, projekt av denna skala kräver en gemensam insats av många institutioner och nationer, och jag är glad att IAAT kan förbli konkurrenskraftig här, ", tillägger Dorosjenko.

Röntgenteleskopet eROSITA sköts upp i rymden ombord på Spektr-RG-uppdraget den 13 juli, 2019. Dess stora uppsamlingsområde och breda synfält är skräddarsydda för en djupgående röntgenundersökning. Under loppet av sex månader (december 2019–juni 2020) har SRG/eROSITA genomfört den första undersökningen av hela himlen vid energier 0,2-8 keV, betydligt djupare än den enda existerande all-himlen-undersökningen med ett röntgenbildteleskop, utförd av ROSAT 1990 vid energier 0,1-2,4 keV.

En preliminär analys av himmelskartan från den första eROSITA all-sky-undersökningen indikerar att mer än en miljon röntgenpunktkällor och cirka 20 000 utökade källor detekteras. Detta är jämförbart med, och faktiskt kan överskrida, det totala antalet röntgenkällor kända före eROSITA. Cirka 80 % av punktkällorna är avlägsna aktiva galaktiska kärnor (AGN), men det finns också cirka 20 % koronalt aktiva stjärnor i Vintergatan, inklusive cirka 150 planetvärdar stjärnor.