Kwazary wyhamowały procesy gwiazdotwórcze 11 mld lat temu

Badania prowadzone przez naukowców z Johns Hopkins University umożliwiły odkrycie przekonujących dowodów, które mogą pomóc rozwiązać jedną z tajemnic astrofizyki: Dlaczego intensywność procesów gwiazdotwórczych we Wszechświecie spadła jakieś 11 miliardów lat temu?

Artykuł opublikowany w periodyku Monthly Notices of the Royal Astronomical Society opisuje dowody na to, że odpowiedzią na to pytanie jest intensywne promieniowanie kwazarów w galaktykach, w których powstają nowe gwiazdy. Intensywne promieniowanie i wiatry galaktyczne emitowane przez kwazary – najjaśniejsze obiekty we Wszechświecie – podgrzewają obłoki pyłu i gazu. Właśnie to podgrzewanie uniemożliwia ochłodzenie materii i tworzenie gęstszych obłoków, z których czasem mogą powstać gwiazdy.

“Można powiedzieć, że to pierwszy przekonujący dowód obserwacyjny na wpływ kwazarów na Wszechświat w wieku zaledwie ok. 3 miliardów lat, kiedy to procesy gwiazdotwórcze były we Wszechświecie bardzo intensywne,” mówi Tobias Marriage, profesor Wydziału Fizyki i Astronomii na Johns Hopkins University.  Chociaż wnioski opisane w periodyku publikowanym przez Oxford University Press nie są ostateczne, Marriage zaznacza, że dowody są bardzo przekonujące i niesamowicie zainteresowały naukowców.

“To przypomina znalezienie jeszcze dymiącej broni palnej z odciskami palców w pobliżu ciała, choć jak na razie nie możemy znaleźć kuli wystrzelonej z tej broni,” mówi Marriage.

Badacze przyjrzeli się informacjom dotyczącym 17 468 galaktyk i odkryli wskaźnik energii znany jako Efekt Siuniajewa-Zeldowicza. Zjawisko to nazwane na cześć dwóch rosyjskich fizyków, którzy przewidzieli je prawie 50 lat temu obserwowane jest, gdy wysokoenergetyczne elektrony rozpraszają fotony kosmicznego promieniowania tła (CMB) w odwrotnym procesie Comptona. CMB stanowi przenikające wszystko morze mikrofalowego promieniowania – pozostałość supergorących narodzin Wszechświata jakieś 13,7 miliardów lat temu.

Devin Crichton, student JHU i główny autor artykułu mówi, że przeanalizował poziomy energii termicznej w celu sprawdzenia czy wzrastają ponad przewidywany poziom, który pozwoliłby zatrzymać procesy gwiazdotwórcze. W ten sposób przeanalizowano dużą próbkę galaktyk, aby uzyskać prawidłowości statystyczne.

“Aby takie promieniowanie było w stanie zatrzymać procesy gwiazdotwórcze, musiałoby oddziaływać na duże odległości,” mówi Crichton, jeden z pięciu naukowców JHU, którzy prowadzili prace wykonywane przez 23 badaczy z 18 instytucji. Większość z tych badaczy należy do grupy Atacama Cosmology Telescope nazwanej tak od nazwy jednego z trzech instrumentów wykorzystywanych do badań.

Aby wykonać precyzyjne pomiary temperatury, które pozwoliłyby na zauważenie Efektu Siuniajewa-Zeldowicza, naukowcy wykorzystali informacje zebrane przed dwa teleskopy naziemne i jeden odbiornik zainstalowany na pokładzie obserwatorium kosmicznego.  Wykorzystanie kilku instrumentów o różnej mocy w poszukiwaniu Efektu S-Z to stosunkowo nowe podejście, mówi Marriage.

“To naprawdę oryginalny rodzaj termometru.”

Informacje zebrane w ramach Sloan Digital Sky Survey za pomocą optycznego teleskopu w Apache Point Observatory w Nowym Meksyku zostały wykorzystane do znalezienia kwazarów. Poziomy energii termicznej oraz dowody na efekt S-Z zostały odkryte w informacjach zebranych przez Atacama Cosmology Telescope – instrument zaprojektowany do badania CMB i zlokalizowany na pustyni Atacama w północnym Chile. Aby skupić się na pyle kosmicznym, badacze przeanalizowali dane z SPIRE (Spectral and Photometric Imaging Receiver) – instrumentu zainstalowanego na pokładzie Kosmicznego Obserwatorium Herschel.

Galaktyki osiągnęły maksymalne tempo powstawania gwiazd jakieś 11 miliardów lat temu. Potem tempo powstawania nowych gwiazd zmalało. Zespół astronomów ponad trzy lata temu oszacował, że tempo powstawania nowych gwiazd wynosi aktualnie zaledwie 1/30 tempa obecnego podczas tego szczytu. Naukowcy od lat zastanawiają się co doprowadziło do takiego stanu rzeczy. Od dawna głównym podejrzanym jest właśnie proces ogrzewania materii przez kwazary.

Nadia L. Zakamska, profesor z Wydziału Fizyki i Astronomii w Johns Hopkins University i jedna ze współautorek raportu zauważa, że dopiero kilka lat temu zaczęły się pojawiać dowody obserwacyjne potwierdzające to zjawisko. Efekt S-Z stanowi zupełnie nowatorskie podejście do tematu wyraźnie pokazując pełnię wpływu wiatru galaktycznego na resztę galaktyki.

“W odróżnieniu od innych metod wykorzystywanych do badania niewielkich zagęszczeń wewnątrz wiatru, Efekt Siuniajewa-Zeldowicza występuje w rozległych obszarach wiatru, w ekstremalnie gorącej plazmie wypełniającej objętość wiatru. Jednocześnie efekt ten nie jest wykrywalny przy zastosowaniu jakiejkolwiek innej techniki.”

Źródło: JHU/MNRAS/phys.org