Galaktyki takie jak nasza Droga Mleczna są fabrykami wykorzystującymi grawitację do tworzenia nowych gwiazd z gazowego wodoru cząsteczkowego.
„Droga Mleczna zamienia gaz w gwiazdy w tempie średnio jednej masy Słońca rocznie” mówi Gregory Rudnick, profesor fizyki i astronomii na University of Kansas. „Galaktyka wypełniona jest gazem, a mimo o wciąż otrzymujemy nowe zapasy gazu napływające do nas spoza galaktyki. Ów gaz opada do wnętrza galaktyki pod wpływem grawitacji, z czasem przekształcając się w gwiazdy, a część tego gazu z kolei wywiewana jest na zewnątrz w przestrzeń międzygalaktyczną.
Jednak w niektórych galaktykach ustały procesy tworzenia nowych gwiazd i astronomowie usilnie starają się dowiedzieć dlaczego.
„Obserwujemy mnóstwo galaktyk, w których nie powstają nowe gwiazdy” mówi Rudnick. „Z jakiegoś powodu nie ma w nich wystarczająco dużo gazu, aby można było go przekształcić w nowe gwiazdy. Pytanie zatem dlaczego tak jest. Dlaczego niektóre galaktyki wyłączają procesy gwiazdotwórcze? Gdy taka galaktyka się >wyłączy< to pozostaje tylko z tymi gwiazdami, które już ma, ale nowych nie tworzy”.
Kluczem do rozwiązania tej zagadki może być osobliwa nowa klasa galaktyk oddalonych od nas o jakieś sześć miliardów lat świetlnych, charakteryzujących się intensywnym wywiewaniem gazu z wnętrza galaktyk. Rudnick wraz z naukowcami z innych ośrodków w USA w ramach nowego grantu National Science Foundation postanowił zbadać te galaktyki, aby dowiedzieć się dlaczego w niektórych galaktykach nie ma już gazu, który można by było spożytkować do tworzenia nowych gwiazd.
Częścią procesu badawczego jest przeanalizowanie konwencjonalnych sposobów wyjaśniania powodów ustawania procesów gwiazdotwórczych.
„Jednym ze sposobów, w jaki galaktyka może zaprzestać tworzenia nowych gwiazd, jest gwałtowne pozbycie się nadmiarów gazu za pomocą aktywnego jądra galaktycznego” mówi Rudnick. „Każda galaktyka, włącznie z naszą, posiada w swoim centrum supermasywną czarną dziurę. Gdy gaz opada na czarną dziurę, tuż przed tym jak w nią wpadnie, niesamowicie się rozgrzewa, a emitowana przez niego energia może wywiać pozostałą część gazu z galaktyki. Teoria ta jest przyjmowana, bowiem jest to mechanizm na tyle energetyczny, że faktycznie może pozbyć się resztek gazu z galaktyki”.
Niemniej jednak, w 2007 roku zespół astronomów odkrył grupę „samotłumiących się” galaktyk, w których procesy gwiazdotwórcze ustały z jakiegoś innego powodu. Rudnick z czasem dołączył do tego zespołu i zajął się wieloletnim badaniem tych galaktyk.
„Nasze badania wskazują, że tego typu galaktyki wywiewają gaz z prędkością tysięcy kilometrów na sekundę – to ponad 3500 razy szybciej niż prędkość samolotu odrzutowego – ale nie ma tam żadnych śladów opadania gazu na czarną dziurę” mówi badacz z KU. „Powstaje zatem pytanie, czy procesy związane z czarną dziurą są konieczne do skutecznego wywiewania gazu, czy też istnieje jakiś niezależny mechanizm. W tym momencie uświadamiasz sobie 'Zaraz, zaraz, wszechświat nie jest taki prosty’. W tej chwili możemy dowiedzieć się nowych i ciekawych informacji o ewolucji galaktyk”.
Dzięki lepszym zdjęciom galaktyk wykonanym za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, Rudnick wraz ze współpracownikami uświadomił sobie, że gaz może być wywiewany z galaktyk za pomocą skoncentrowanego promieniowania samych gwiazd wypełniających galaktyki, bez konieczności wspomagania energią gazu opadającego na czarną dziurę.
„Dzięki HST, te mgliste kropki, które widzieliśmy w naszych teleskopach naziemnych nagle ukazywały nam cechy wskazujące na zderzenia galaktyk – wokół nich znajdowaliśmy liczne strumienie gwiazd. Co najbardziej zaskakujące, same galaktyki były niewiarygodnie kompaktowe” mówi Rudnick. „Wszystkie gwiazdy i cały gaz w Drodze Mlecznej rozłożony jest na obszarze o średnicy 100 000 lat świetlnych, co oznacza, że aby dostać się z jednego końca galaktyki na drugi, światło potrzebuje 100 000 lat. Galaktyki, o których mówimy, które masą dorównują Drodze Mlecznej, wyglądają tak, jakby większość swojej masy miały wciśnięte w obszar o średnicy 1000 lat świetlnych. Są masywne, ale są niesamowicie gęste. Zaczęliśmy zastanawiać się zatem czy jeżeli takie galaktyki są tak skoncentrowane, że promieniowanie wszystkich gwiazd tworzących te galaktyki upakowane jest w tak mały obszar, to nie jest ono na tyle intensywne, aby samodzielnie wypchnąć gaz z wnętrza galaktyki”.
Gwiazdy emitują cząstki światła (fotony), które uderzają w cząstki gazu delikatnie je popychając. Jeżeli suma wielu tych lekkich pchnięć jest wystarczająco duża, to samo promieniowanie może wypchnąć gaz z galaktyki z niewiarygodnie wysokimi prędkościami.
„Gdybyśmy ścisnęli całą Drogę Mleczną w wystarczająco mały obszar na przykład wskutek łączenia galaktyk, miliardy gwiazd nagle znalazłyby się bardzo blisko siebie. W takiej sytuacji ogromne ilości promieniowania wypełnią niewielką przestrzeń i będą w stanie wypchnąć cały gaz z galaktyki, nie potrzebując do tego wsparcia gazu opadającego na czarną dziurę”.
Prace wykonane w ramach grantu NSF umożliwią dalsze obserwacje i badania tej klasy galaktyk. Rudnick wraz ze swoimi współpracownikami planuje badanie galaktyk w możliwie najszerszym zakresie promieniowania, wykorzystując do tego teleskopy takie jak Chandra, Keck czy ALMA.
„Jak często takie galaktyki same wygaszają procesy gwiazdotwórcze?” pyta. „Czy galaktyka naprawdę jest w stanie pozbyć się całego wypełniającego ją gazu – czy też obserwujemy bardzo szybkie, ale niewielkie strumienie?”
Rudnick jest współautorem nowego artykułu opublikowanego w periodyku Astrophysical Journal, w którym za pomocą ALMA obserwowano wnętrze takiej galaktyki, przyglądając się najgęstszemu, najzimniejszemu gazowi – temu, z którego formują się gwiazdy. W artykule autorzy pytają „Jakie mamy dowody na wywiewanie właśnie tego gazu?”
Wraz ze współautorami Rudnick odkrył, że owa galaktyka jest kompaktową pozostałością po gwałtownym połączeniu dwóch galaktyk. Ta „pozostałość po procesie łączenia” charakteryzuje się niezwykle silnymi wiatrami gęstego gazu cząsteczkowego przy jednoczesnym braku śladów aktywnego jądra galaktycznego. Badacze chcieli zatem sprawdzić jak szybko ów gęsty gaz jest wypychany z galaktyki.
„ALMA rejestruje promieniowanie o większej długości fali niż promieniowanie widzialne. Okazuje się, że cząsteczki tlenku węgla w tym gazie emitują promieniowanie, które można dostrzec za pomocą teleskopu z Ziemi. Większość gazu stanowi wodór, ale akurat wodór ciężko obserwować z Ziemi, dlatego skupiliśmy się na gazach śladowych. Tlenek węgla na swój sposób pokazuje nam gdzie znajduje się trudny do obserwowania wodór cząsteczkowy. Wykorzystaliśmy obserwatorium ALMA do wykrycia tlenku węgla, który pozwolił na oszacowanie całkowitej ilości gazu cząsteczkowego. Odkryliśmy, że ten gaz, który stanowi większość gazu w galaktyce, oddala się od centrum galaktyki z prędkością 1000 kilometrów na sekundę. To materiał, z którego powstają gwiazdy, i jest on szybko i skutecznie wywiewany z galaktyki”.
Źródło: University of Kansas