Gwiezdne żłobki odległych galaktyk

Międzynarodowy zespół astronomów odkrył, że właściwości obłoków molekularnych i liczba wytwarzanych przez nie gwiazd różni się w zależności od tego, czy znajdują się one w odległych czy pobliskich galaktykach.

Gromady gwiazd powstają w wyniku skupienia obłoków molekularnych, mas zimnego, gęstego gazu, które znajdują się w każdej galaktyce. Właściwości fizyczne tych obłoków w naszej własnej galaktyce i pobliskich galaktykach znane są od dawna. Ale czy są one identyczne w odległych galaktykach, które leżą ponad 8 mld lat świetlnych stąd? Po raz pierwszy międzynarodowy zespół pod kierownictwem Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) był w stanie wykryć obłoki molekularne w przodku Drogi Mlecznej, dzięki niespotykanej zdolności rozdzielczej przestrzennej, osiągniętej w tak odległej galaktyce. Obserwacje te pokazują, że odległe obłoki mają większą masę, gęstość i wewnętrzne turbulencje niż obłoki znajdujące się w pobliskich galaktykach i że tworzą znacznie więcej gwiazd. Astronomowie przypisują te różnice warunkom otaczającego środowiska międzygwiazdowego w odległych galaktykach, które są zbyt ekstremalne, aby obłoki molekularne typowe dla pobliskich galaktyk mogły przetrwać.

Obłoki molekularne składają się z gęstego, zimnego wodoru wirującego z prędkością naddźwiękową, generującego wahania gęstości, które skupiają się i tworzą gwiazdy. W pobliskich galaktykach, takich jak Droga Mleczna, obłok molekularny wytwarza między 10³ i 10⁶ gwiazd. Jednak w odległych galaktykach, znajdujących się ponad 8 mld lat świetlnych stąd astronomowie zaobserwowali olbrzymie gromady gwiazd zawierające do 100 razy więcej gwiazd. Skąd taka różnica?

Wyjątkowa obserwacja możliwa dzięki kosmicznej lupie
Aby odpowiedzieć na to pytanie, astronomowie byli w stanie wykorzystać naturalny teleskop – zjawiska soczewkowania grawitacyjnego – w połączeniu z ALMA, interferometrem złożonym z 50 anten radiowych, które rekonstruują cały obraz galaktyki natychmiast. Soczewki grawitacyjne są naturalnym teleskopem, który tworzy efekt szkła powiększającego, gdy masywny obiekt znajduje się między obserwatorem a odległym obiektem. Dzięki temu efektowi niektóre części odległych galaktyk rozciągają się na niebie i można je badać w niezrównanej rozdzielczości 90 lat świetlnych! – wyjaśnia Miroslava Dessauges, badaczka na Wydziale Astronomii na Wydziale Naukowym UNIGE i pierwsza autorka badania. Tymczasem ALMA można wykorzystać do pomiaru poziomu tlenku węgla, który działa jak znacznik wodoru molekularnego tworzącego zimne obłoki.

Rozdzielczość ta umożliwiła indywidualne scharakteryzowanie obłoków molekularnych w odległej galaktyce, nazwanej „Kosmicznym Wężem”, oddalonej o 8 mld lat świetlnych. Astronomowie byli zatem w stanie porównać masę, rozmiar, gęstość i wewnętrzne turbulencje obłoków molekularnych w pobliskich i odległych galaktykach.

Obłoki molekularne odporne na ekstremalne warunki
Nowe obserwacje pokazały, że obłoki molekularne w odległych galaktykach miały masę, gęstość i turbulencje od 10 do 100 razy wyższe niż w pobliskich galaktykach. Takie wartości zmierzono tylko w obłokach znajdujących się w pobliżu oddziałujących galaktyk, które mają warunki międzygwiezdne przypominające warunki odległych galaktyk – dodaje Miroslava Dessauges. Naukowcy mogli porównać różnice we właściwościach fizycznych obłoków ze środowiskami galaktycznymi, które są bardziej ekstremalne i wrogie w odległych galaktykach niż w tych bliższych. Obłok molekularny zwykle występujący w pobliskiej galaktyce natychmiast zapadłby się i zostałby zniszczony w ośrodku międzygwiezdnym odległych galaktyk, stąd jego zwiększona gęstość i turbulencje gwarantują jego przetrwanie i równowagę – wyjaśnia Miroslava Dessauges. Charakterystyczna masa obłoków molekularnych w Kosmicznym Wężu wydaje się doskonale zgadzać z przewidywaniami naszego scenariusza podziału turbulentnych dysków galaktycznych. W rezultacie scenariusz ten można przedstawić jako mechanizm formowania się masywnych obłoków molekularnych w odległych galaktykach – dodaje Lucio Mayer, profesor w Centre for Physical and Cosmological Theory Uniwersytetu w Zurychu.

Zespół odkrył także, że wydajność formowania się gwiazd w galaktyce Kosmicznego Węża jest szczególnie wysoka, prawdopodobnie wywołana wysoce naddźwiękową wewnętrzną turbulencją obłoków. W pobliskich galaktykach obłok molekularny tworzy gwiazdy stanowiące około 5% jego masy. W odległych galaktykach liczba ta wzrasta do 30%.

Astronomowie będą teraz badać inne odległe galaktyki w celu potwierdzenia wyników obserwacji uzyskanych dla Kosmicznego Węża. Miroslava Dessauges podsumowuje: Podniesiemy również jeszcze bardziej rozdzielczość, korzystając z wyjątkowej wydajności interferometru ALMA. Analogicznie, musimy bardziej szczegółowo zrozumieć zdolności obłoków molekularnych w odległych galaktykach do tak skutecznego formowania gwiazd.

Więcej:
The stellar nurseries of distant galaxies

Źródło: UNIGE

Na zdjęciu: Z lewej: Galaktyka Kosmiczny Wąż odległa o 8 mld lat świetlnych od nas. Z prawej: Mgławica Carinae oddalona zaledwie o 7500 lat świetlnych stąd. Źródło: UNIGE, Dessauges i NASA, ESA.