Astronomowie zakończyli największe i najbardziej szczegółowe badania dotyczące procesu powstawania gwiazd w największych galaktykach Wszechświata.
W tym celu wykorzystali dane z teleskopu Chandra i innych. Ze zdziwieniem odkryli, że warunki sprzyjające tworzeniu gwiazd w tych nadzwyczaj masywnych galaktykach nie uległy zmianie przez ostatnie dziesięć miliardów lat.
Zaskakujące jest to, że istnieje wiele rzeczy, które mogły wpłynąć na formowanie się gwiazd w ciągu ostatnich dziesięciu miliardów lat – powiedział Michael Calzadilla z Massachusetts Institute of Technology (MIT), który kierował badaniem. Ostatecznie jednak główny czynnik wpływający na powstawanie gwiazd w tych ogromnych galaktykach sprowadza się do jednej rzeczy - tego, czy otaczający je gorący gaz może wystarczająco szybko ostygnąć.
Gromady galaktyk są największymi strukturami we Wszechświecie, utrzymywanymi razem przez grawitację i zawierającymi ogromne ilości gorącego gazu, widocznego w promieniowaniu rentgenowskim. Masa tego gorącego gazu jest kilkakrotnie większa niż łączna masa wszystkich gwiazd w setkach galaktyk, które zazwyczaj znajdują się w gromadach galaktyk.
Calzadilla i jego współpracownicy przeprowadzili badania najjaśniejszej i najbardziej masywnej klasy galaktyk we Wszechświecie, znanej jako najjaśniejsze galaktyki gromady, w jądrach 95 gromad galaktyk. Wybrane gromady galaktyk stanowią samą w sobie ekstremalną próbkę – są to najbardziej masywne gromady w dużym badaniu przy użyciu South Pole Telescope (SPT) – i znajdują się w odległości od 3,4 do 9,9 miliarda lat świetlnych od Ziemi.
Zespół odkrył, że procesy gwiazdotwórcze w badanych galaktykach są uruchamiane, gdy ilość nieuporządkowanego ruchu w gorącym gazie – pojęcie fizyczne zwane entropią – spada poniżej progu krytycznego. Poniżej tego progu gorący gaz nieuchronnie ochładza się, tworząc nowe gwiazdy.
To imponujące, że jedna liczba mówi nam, czy w tych ogromnych galaktykach powstały miliardy gwiazd i planet w ciągu dziesięciu miliardów lat – powiedział współautor Michael McDonald, również z MIT.
Choć podejmowano inne próby zidentyfikowania czynników napędzających formowanie się gwiazd w tak ogromnych galaktykach w ciągu kosmicznej historii, to badanie jest pierwszym, które łączy obserwacje rentgenowskie i optyczne jąder gromad w tak dużym zakresie odległości. Pozwala to badaczom powiązać paliwo potrzebne do formowania się gwiazd – czyli gorący gaz wykryty przez Chandra – z faktycznym procesem powstawania gwiazd po ochłodzeniu gazu, co można zaobserwować za pomocą teleskopów optycznych przez większą część historii Wszechświata.
Zespół wykorzystał również radioteleskopy do badania strumieni materii wylatujących z supermasywnych czarnych dziur w tych gromadach. W procesie znanym jako „sprzężenie zwrotne”, gorący gaz, który ochładza się i tworzy gwiazdy, ostatecznie zasila czarne dziury, co prowadzi do powstawania strumieni i innej aktywności, ogrzewającej i zasilającej ich otoczenie, tymczasowo zapobiegając dalszemu ochładzaniu. Gdy czarnej dziurze kończy się paliwo, strumienie wyłączają się, a proces rozpoczyna się od nowa.
Niespodziewanym aspektem tego badania jest to, że wcześniejsze prace sugerowały, iż inne czynniki oprócz chłodzenia gorącego gazu mogły odgrywać większą rolę w tworzeniu gwiazd w odległej przeszłości. Dziesięć miliardów lat temu, w okresie znanym wśród astronomów jako „kosmiczne południe”, zderzenia i fuzje galaktyk w gromadach były znacznie częstsze, tempo formowania gwiazd było ogólnie znacznie wyższe, a supermasywne czarne dziury galaktyk pochłaniały materię znacznie szybciej.
Typ powstawania gwiazd, który obserwujemy, jest niezwykle spójny, nawet zbliżając się do kosmicznego południa, kiedy mógł zostać przytłoczony innymi procesami – powiedziała współautorka, Lindsey Bleem z Argonne National Laboratory w Illinois. Chociaż Wszechświat wyglądał wtedy zupełnie inaczej, to czynnik wyzwalający powstawanie gwiazd w tych galaktykach już nie.
Wcześniejsze badania nad stosunkowo bliskimi gromadami wykazały, że istnieje progowy poziom nieuporządkowania w gorącym gazie, który jest konieczny do wystąpienia sprzężenia zwrotnego z supermasywnymi czarnymi dziurami w postaci strumieni. Nowe badanie przeprowadzone przez zespół Calzadilli wykazało, że próg entropii nie ma jednak zastosowania do galaktyk w bardziej odległych gromadach, co sugeruje, że gromady sprzed około dziesięciu miliardów lat nie były tak silnie regulowane przez sprzężenie zwrotne z czarnych dziur. Jest to prawdopodobne, ponieważ potrzeba czasu, aby gorący gaz zaczął się ochładzać w galaktyce centralnej, a następnie więcej czasu, aby ten chłodny gaz dotarł do supermasywnej czarnej dziury w galaktyce centralnej, a następnie, aby utworzyły się strumienie i zapobiegły dalszemu ochładzaniu się gazu. Możliwe jest jednak również, że sygnały radiowe nie dostarczają wyraźnych wskazań na aktywność strumieni w tak wczesnym okresie.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Astronomers Find Spark of Star Birth Across Billions of Years
- The SPT-Chandra BCG Spectroscopic Survey I: Evolution of the Entropy Threshold for Cooling and Feedback in Galaxy Clusters Over the Last 10 Gyr
Źródło: Chandra
Na ilustracji: Te cztery zdjęcia przedstawiają próbkę gromad galaktyk, które stanowią część największego i najbardziej kompletnego badania mającego na celu poznanie przyczyn powstawania gwiazd w największych galaktykach Wszechświata. Źródło: Rentgenowskie: NASA/CXC/SAO; Optyczne: NASA/ESA/STScI; Podczerwień: NASA/ESA/CSA/STScI/Milisavljevic i inni, NASA/JPL/CalTech; Przetworzenie obrazu: NASA/CXC/SAO/J. Schmidt i K. Arcand
