Έχουν μάζα δέκα χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου και παράγουν διάφορα κοσμικά φαινόμενα.
Για πρώτη φορά αστρονόμοι που χρησιμοποίησαν το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi εντόπισαν και χαρτογράφησαν ένα νεοσύστατο ρεύμα εκροής αερίου από ένα υπέρλαμπρο σμήνος νεαρών άστρων στο γαλαξία μας προσφέροντας νέα στοιχεία που βοηθούν στην κατανόηση της εξέλιξης του Σύμπαντος.
Το σμήνος που ονομάζεται Westerlund 1 βρίσκεται περίπου 12,000 έτη φωτός μακριά στον νότιο αστερισμό του Βωμού. Είναι το πιο κοντινό, το πιο ογκώδες και το πιο λαμπρό υπερσμήνος άστρων στο γαλαξία μας. Ο μόνος λόγος που δεν είναι ορατό με γυμνό μάτι είναι ότι περιβάλλεται από πυκνά νέφη σκόνης. Η εκροή του εκτείνεται κάτω από το επίπεδο του γαλαξία και είναι γεμάτη με σωματίδια υψηλής ταχύτητας, γνωστά ως κοσμικές ακτίνες, που είναι δύσκολο να μελετηθούν.
«Η κατανόηση των εκροών κοσμικών ακτίνων είναι καθοριστικής σημασίας για να αντιληφθούμε καλύτερα τη μακροχρόνια εξέλιξη του Γαλαξία», δήλωσε η Μαριάν Λεμουάν Γκουμάρ, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μπορντό στη Γαλλία. «Πιστεύουμε ότι αυτά τα σωματίδια μεταφέρουν μεγάλο μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται μέσα στα σμήνη. Θα μπορούσαν να συμβάλλουν στη δημιουργία γαλαξιακών ανέμων, να ρυθμίζουν τον σχηματισμό άστρων και να διανέμουν χημικά στοιχεία μέσα στον γαλαξία».
Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στην επιθεώρηση «Nature Communications». Της έρευνας ηγήθηκε η Λεμουάν Γκουμάρ μαζί με τη Λουσία Χάρερ και τον Λαρς Μόρμαν από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Μαξ Πλανκ στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας.
Υπερσμήνη άστρων όπως το Westerlund 1 περιέχουν μάζα δέκα χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου. Είναι επίσης πιο φωτεινά και περιλαμβάνουν περισσότερα σπάνια, πολύ μαζικά άστρα σε σύγκριση με άλλα σμήνη.
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι εκρήξεις υπερκαινοφανών και οι αστρικοί άνεμοι μέσα στα σμήνη ωθούν το περιβάλλον αέριο προς τα έξω, επιταχύνοντας τις κοσμικές ακτίνες σε ταχύτητες κοντά σε αυτή του φωτός. Περίπου το 90% αυτών των σωματιδίων είναι πυρήνες υδρογόνου, ενώ τα υπόλοιπα είναι ηλεκτρόνια και πυρήνες βαρύτερων στοιχείων.
Επειδή οι κοσμικές ακτίνες είναι ηλεκτρικά φορτισμένες, αλλάζουν πορεία όταν συναντούν μαγνητικά πεδία, γεγονός που καθιστά δύσκολη την ανίχνευση της προέλευσής τους. Οι ακτίνες γάμμα, αντίθετα, κινούνται σε ευθεία γραμμή. Είναι η πιο ενεργειακή μορφή φωτός και παράγονται όταν οι κοσμικές ακτίνες αλληλεπιδρούν με την ύλη στο περιβάλλον τους.
Οι περισσότερες παρατηρήσεις ακτίνων γάμμα από αστρικά σμήνη έχουν περιορισμένη ανάλυση, με αποτέλεσμα οι αστρονόμοι να τα βλέπουν ως ασαφείς περιοχές εκπομπής. Όμως το Westerlund 1, λόγω της εγγύτητας και της λαμπρότητάς του, είναι ευκολότερο στη μελέτη. Το 2022, επιστήμονες που χρησιμοποίησαν το σύστημα τηλεσκοπίων Υψηλής Ενεργειακής Φασματοσκοπίας στη Ναμίμπια εντόπισαν έναν διακριτό δακτύλιο ακτίνων γάμμα γύρω από το Westerlund 1, με ενέργειες τρισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από το ορατό φως.
Η Λεμουάν Γκουμάρ και οι συνεργάτες της αναρωτήθηκαν αν οι μοναδικές ιδιότητες του σμήνους θα τους επέτρεπαν να δουν περισσότερες λεπτομέρειες, εξετάζοντας σχεδόν δύο δεκαετίες δεδομένων του Fermi σε ελαφρώς χαμηλότερες ενέργειες. Η ευαισθησία και η ανάλυση του Fermi επέτρεψαν στους ερευνητές να απομονώσουν άλλες πηγές ακτίνων γάμμα, όπως πάλσαρ, ακτινοβολία υποβάθρου και το ίδιο το Westerlund 1.
Αυτό που απέμεινε ήταν μια «φυσαλίδα» ακτίνων γάμμα που εκτείνεται σε απόσταση άνω των 650 ετών φωτός από το σμήνος, κάτω από το επίπεδο του γαλαξία μας. Αυτό σημαίνει ότι η εκροή είναι περίπου 200 φορές μεγαλύτερη από το ίδιο το Westerlund 1.
Οι ερευνητές χαρακτηρίζουν αυτή την εκροή ως αρχόμενη επειδή πιθανότατα δημιουργήθηκε πρόσφατα από τα μαζικά νεαρά άστρα του σμήνους και δεν έχει ακόμη διαφύγει από το γαλαξιακό δίσκο. Τελικά θα εκτείνεται προς το γαλαξιακό άλω, το θερμό αέριο που περιβάλλει το γαλαξία. Το Westerlund 1 βρίσκεται ελαφρώς κάτω από το επίπεδο του γαλαξία μας γεγονός που οδηγεί τους ερευνητές στο συμπέρασμα ότι το αέριο διαστέλλεται ασύμμετρα ακολουθώντας την πορεία μικρότερης αντίστασης προς περιοχές χαμηλότερης πυκνότητας κάτω από τον δίσκο.
«Ένα από τα επόμενα βήματα είναι να μοντελοποιήσουμε πώς οι κοσμικές ακτίνες ταξιδεύουν σε αυτή την απόσταση και πώς δημιουργούν ένα μεταβαλλόμενο φάσμα ενέργειας ακτίνων γάμμα», δήλωσε η Χάρερ. «Θα θέλαμε επίσης να αναζητήσουμε παρόμοια χαρακτηριστικά και σε άλλα αστρικά σμήνη».
«Από τότε που ξεκίνησε τη λειτουργία του πριν από 17 χρόνια, το Fermi συνεχίζει να διευρύνει την κατανόησή μας για το Σύμπαν», δήλωσε η Ελίζαμπεθ Χέις από το Διαστημικό Κέντρο Goddard της NASA. «Από δραστηριότητες σε μακρινούς γαλαξίες έως καταιγίδες κεραυνών στη δική μας ατμόσφαιρα, ο ουρανός των ακτίνων γάμμα εξακολουθεί να μας εκπλήσσει».
