Astronomowie odkrywają nowe szczegóły potężnych galaktyk gwiazdotwórczych

Międzynarodowy zespół astronomów z Japonii, Meksyku i USA badający “potężną galaktykę” 12,4 miliardów lat świetlnych od Ziemi donosi, że jego instrumenty osiągnęły 10-krotnie wyższą rozdzielczość kątową niż dotychczas, odsłaniając przed nami wcześniej nieznane szczegóły budowy galaktyki. Oprócz tego naukowcy byli  w stanie przeanalizować jej własności dynamiczne, których wcześniej nie potrafiliśmy badać. Szczegóły opublikowano w periodyku Nature.

Owe ekstremalne galaktyki gwiazdotwórcze uważane są za poprzedników masywnych galaktyk takich jak Droga Mleczna, dlatego też wyniki dotyczące galaktyki znanej jako COSMOS-AzTEC-1 torują nam drogę do zrozumienia procesów ich powstawania i ewolucji.

Współautor artykułu, prof. Min Yun z University of Massachusetts Amherst, członek zespołu, który odkrył tę galaktykę za pomocą instrumentu AzTEC w Chile dodaje: “Prawdziwym zaskoczeniem jest fakt, że ta galaktyka obserwowana taką, jaką była 13 miliardów lat temu, posiada masywny, uporządkowany dysk gazowy charakteryzujący się regularną rotacją zamiast tego co oczekiwaliśmy czyli chaotycznego zbioru gwiazd, przewidywanego przez większość badań teoretycznych.

Aczkolwiek, zaznacza, zaobserwowano także, że dysk gazowy jest dynamicznie niestabilny co oznacza, że cały dysk gazowy tworzący tę galaktykę ulega fragmentacji i przechodzi gigantyczny okres aktywności gwiazdotwórczej, co tłumaczyć niesamowite tempo powstawania gwiazd w tej galaktyce.

Najnowsze odkrycia obserwacyjne COSMOC-AzTEC-1 były możliwe dzięki wykorzystaniu radioteleskopu ALMA. Kenichi Tadaki, główny autor nowego artykułu, adiunkt w Japan Society for the Promotion of Sciance dodaje “Jedną z najlepszych cech prowadzenia obserwacji za pomocą ALMA jest możliwość obserwowania tak odległych galaktyk na tak wysokim poziomie szczegółowości”.

Astronomowie od dawna zastanawiali się w jaki sposób takie galaktyki mogą produkować gwiazdy w tak zdumiewająco wysokim tempie. Aby rozwiązać tę zagadkę należało najpierw scharakteryzować otoczenie tych gwiezdnych żłobków. Nakreślenie szczegółowych map obłoków molekularnych było istotnym elementem tego procesu.

Tadaki wraz ze woim zespołem odkrył, że COSMOS-AzTEC-1 jest bogata w składniki gwiazd, ale wciąż trudne było określenie natury gazu wypełniającego galaktykę. Wykorzystując wysoką rozdzielczość i wysoką czułość ALMA, naukowcy stworzyli szczegółową mapę rozkładu i ruchu gazu, tworząc przy tym najbardziej szczegółową mapę gazu cząsteczkowego w odległej galaktyce gwiazdotwórczej.

“Odkryliśmy dwa osobne duże obłoki oddalone o kilka tysięcy lat świetlnych od centrum galaktyki” tłumaczy Tadaki. “W najodleglejszych galaktykach gwiazdotwórczych gwiazdy aktywnie powstają w ich centrach. Dlatego też zaskoczyło nas odkrycie dwóch obłoków oddalonych od centrum tej galaktyki”.

Yun dodaje:“W jaki sposób te galaktyki były w stanie zebrać tak duże ilości gazu, a następnie praktycznie przekształcić całe zapasy gazu w gwiazdy i to w mgnieniu oka (kosmologicznym) było dla nas całkowicie niezrozumiałe. Dopiero teraz uzyskujemy pierwsze odpowiedzi”.

Rozkład gazu cząsteczkowego (po lewej) oraz cząstek pyłu (po prawej). Oprócz gęstego obłoku w centrum, zespół badawczy odkrył dwa gęste obłoki kilka tysięcy lat świetlnych od centrum. Oba gęste obłoki są dynamicznie niestabilne i intensywnie produkują nowe gwiazdy.
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Tadaki et al.

“Do momentu uzyskania tych wyników z ALMA, nikt nie wiedział w jaki sposób natura tworzyła te masywne, młode galaktyki już miliard lat po Wielkim Wybuchu. Odkrycie ich po raz pierwszy za pomocą AzTEC dziesięć lat temu było prawdziwym zaskoczeniem, ale przeczyło ówczesnej wiedzy”.

Dzięki nowym obserwacjom, członkowie zespołu uważają teraz, że potężne galaktyki zasilane są przez ekstremalnie obfite w gaz dyski, które utrzymują stabilność do momentu zebrania wystarczającej ilości gazu. Wciąż nie wiemy w jaki sposób tak duże ilości gazu docierają do galaktyk nie zamieniając się w gwiazdy już wcześniej, tak jak ma to miejsce w lokalnym wszechświecie.

Astronomowie odkryli, że obłoki gazu w COSMOS-AzTEC-1 są bardzo niestabilne, co jest dość nieoczekiwane. W normalnej sytuacji, grawitacja ku środkowi galaktyki równoważona jest przez ciśnienie na zewnątrz. Gdy grawitacja pokonuje ciśnienie, obłok gazu ulega kolapsowi, czemu towarzysze intensywne tworzenie nowych gwiazd. Następnie gwiazdy oraz eksplozje supernowych pod koniec cyklu życia masywnych gwiazd emitują gazy, które wspierają ciśnienie na zewnątrz. W wyniku tego procesu grawitacja i ciśnienie osiągają stan równowagi, w którym powstawanie nowych gwiazd przybiera umiarkowane tempo. W ten sposób proces formowania gwiazd w galaktykach na swój sposób sam się reguluje.

Jednak w COSMOS-AzTEC-1 ciśnienie jest dużo słabsze od grawitacji, więc daleko jest do stanu równowagi. Dlatego też obserwujemy tam intensywne formowanie gwiazd, które przekształca tę galaktykę w nieposkromioną potężną galaktykę. Tadaki, Yun wraz zez współpracownikami szacują, że gaz w COSMOS-AzTEC-1 zostanie całkowicie zużyty w ciągu 100 milionów lat, czyli 10 razy szybciej niż w innych galaktykach gwiazdotwórczych.

Źródło: UMass Amherst