Obserwacje przez teleskop Webba narodzin gwiazd w Galaktyce Trójkąta

Teleskop Webba ujawnił kolejne kosmiczne tajemnice – zaobserwował młode obiekty gwiazdowe YSO (skrót z j.ang. Young Stallar Objects) w Galaktyce Trójkąta, zwanej też M33. To jest pierwsza w historii obserwacja indywidualnych YSO w odległości aż 2,7 miliona l.św. – w Lokalnej Grupie Galaktyk, ale bardzo daleko poza Drogą Mleczną i Obłokami Magellana.

Nasza Droga Mleczna zapełniona jest ogromnymi obłokami molekularnymi, w których powstają gwiazdy. Na podstawie tego co widzimy w naszej Galaktyce astronomowie zakładają, że proces powstawania gwiazd przebiega również podobnie w innych galaktykach. Ma to sens, ponieważ w każdej galaktyce gwiazdy muszą jakoś powstawać. Ostatnio z pomocą Teleskopu Webba astronomowie dostrzegli gwiazdy w bardzo wczesnej fazie formowania w galaktyce odległej o około 2,7 miliona l.św.  - to jest w odległości miliony l.św. większej niż dotychczasowe obserwacje rodzących się gwiazd.

Obiektem obserwacji Teleskopu Webba były młode obiekty gwiazdowe (YSOs) w Galaktyce Trójkąta (M33). Astronomowie użyli instrumentu MIRI do badań jednego fragmentu ramion spiralnych galaktyki M33, aby zapolować na YSOs. Odkryli 793 takie niemowlęce gwiazdy, schowane wewnątrz masywnych obłoków gazowo-pyłowych. Jest to ważne odkrycie wskazujące, że procesy powstawania gwiazd jakie dobrze znamy w naszej Galaktyce, występują również w innych galaktykach.

​

Na ilustracji: Zdjęcie w zakresie optycznym Galaktyki Trójkąta (M33) wykonane przez 8,2m teleskop VLT w Chile. Zdjęcie zostało obrócone względem oryginału o 90° zgodnie ze wskazówkami zegara i jest następująco zorientowane względem nieba: północ – linia pionowa do góry, wschód – linia pionowa w lewo. Obejmuje pole widzenia ~57’x68’. Ostatnio JWST obserwował fragment południowych ramion M33 i znalazł tam prawie 800 kandydatów na młode obiekty gwiazdowe (YSOs). Źródło: ESO

Młode obiekty gwiazdowe (YSOs)

Aby umieścić to odkrycie we właściwym kontekście, zapoznajmy się bliżej z młodymi obiektami gwiazdowymi. Są to po prostu gwiazdy w najwcześniejszych fazach ewolucyjnych. Narodziny gwiazdy rozpoczynają się, gdy materia w ogromnym obłoku molekularnym zaczyna zagęszczać się pod wpływem własnej grawitacji. Najgęstsza część tego zgęstka staje się coraz gęstsza, rośnie temperatura i w końcu zaczyna świecić.

Młode obiekty gwiazdowe mogą być protogwiazdami, cały czas w sposób ciągły połykając (astronomowie mówią - „akreując”) masę ze swoich ogromnych obłoków molekularnych. Jednak nie całkiem są jeszcze gwiazdami, tzn. jeszcze nie rozpoczęła się synteza termojądrowa w obszarach centralnych gwiazd – ich jądrach. Dojście do tego może zabrać nawet pół miliarda lat (mniej lub więcej – w zależności od masy).

Gdy w końcu skończy się opadanie materii gazowej na „niemowlęce” gwiezdne jądro, to wtedy ciało niebieskie staje się obiektem gwiazdowym przed ciągiem głównym. Oficjalnie nadal nie jest gwiazdą. To jest możliwe dopiero, gdy wewnątrz gwiazdy uruchomią się reakcje termojądrowe. Wtedy gwiazda staje się gwiazdą ciągu głównego. Na ogół wtedy już zostaje rozproszona większość obłoku molekularnego, w którym powstała – co sprawia, że łatwiej można ją obserwować.

Detekcja gwiazd, które właśnie powstają

W najwcześniejszych stadiach powstawania, gwiazdy są trudne do obserwacji nawet w naszej Galaktyce. Jednym z powodów jest to, że obłoki ukrywają te niemowlęce gwiazdy. Dlatego są bardzo trudne do detekcji w zakresie widzialnym. Ale gdy już wystarczająco rozgrzeją się, to zaczynają świecić w podczerwieni. Łatwo można zarejestrować to promieniowanie, wykorzystując odpowiednie instrumenty. Podczerwień jest głównym narzędziem badawczym, które astronomowie wykorzystują do poszukiwania obszarów, w których gwiazdy właśnie rozpoczynają formowanie.

Gdy już nieco „podrosną”, to wtedy młode obiekty gwiazdowe (YSOs) często wyrzucają dżety. Te dżety są widoczne jako emisje promieniowania w zakresie radiowym, które również dość łatwo można zarejestrować. Te „niemowlęce” gwiazdy generują również wypływy materii nazywane wypływami bipolarnymi. Astronomowie rejestrują te zjawiska, poszukując w podczerwieni śladów gorącego wodoru molekularnego lub ciepłych molekuł tlenku węgla. Na ogół te molekularne wypływy obserwuje się w najmłodszych obiektach liczących mniej niż 10 tysięcy lat.

Wiele młodych gwiazd posiada dyski wokółgwiazdowe, które je otaczają. Jest to część obłoku, z którego powstała gwiazda i nadal zasila ją w materię. W końcu ten dysk stanie się miejscem powstawania planet, które astronomowie nazywają dyskiem protolanetarnym lub w skrócie „proplyd” (wersja polska: „pro-pla-d”?). „Proplady” są obserwowane w zakresie widzialnym i podczerwonym przez obserwatoria astronomiczne na powierzchni Ziemi oraz satelitarne.

Wszystkie ww. etapy narodzin gwiazd są obserwowane w naszej Galaktyce – szczególnie w jej ramionach spiralnych i astronomowie skatalogowali wiele z nich. Jednym z najlepszych przykładów jest Mgławica Oriona. Tutaj zaobserwowano gwiazdy w fazie niemowlęcej razem z dyskami protoplanetarnymi, dżetami i wypływami biopolarnymi.

Jeden szczególny obiekt zwany YSO 244-440 jest częścią gromady mgławic w Orionie – bardzo młodej gromady otwartej w Mgławicy Oriona. Ten gwiezdny niemowlak jest nadal schowany w dysku wokółgwiazdowym, w którym powstaje. W 2023 roku astronomowie na podstawie obserwacji 8,2m teleskopem VLT w Chile ogłosili, że zaobserwowali dżety w tym obiekcie.

Oprócz tego za pomocą Kosmicznego Teleskopu Spitzera astronomowie obserwowali takie obiekty w Wielkim Obłoku Magellana, który jest galaktyką satelitarną Drogi Mlecznej. Astronomowie odkryli przynajmniej tysiąc kandydatów na młode obiekty gwiazdowe (YSOs) w danych ze Spitzera – co pozwala śledzić procesy gwiazdotwórcze poza naszą Drogą Mleczną.

Detekcja gwiazd, które właśnie powstają w innych galaktykach

Astronomowie chcą badać procesy gwiazdotwórcze w innych galaktykach, ponieważ każda z nich posiada unikalny skład chemiczny oraz status ewolucyjny. Powstawanie gwiazd pozwala uzupełnić historię ewolucji galaktyk. Dlatego tak ważne są obserwacje młodych obiektów gwiazdowych (YSOs) w innych galaktykach.

Do tej pory obserwacje rodzących się gwiazd poza naszym bezpośrednim galaktycznym sąsiedztwem były prawie niemożliwe. Zaobserwowanie ich wymaga obrazów o wielkiej rozdzielczości i możliwości detekcji w podczerwieni, aby dostrzec te rodzące się gwiazdy w ich obłokach molekularnych. Podobnie jak w naszej Drodze Mlecznej, obłoki molekularne otaczające młode gwiazdy pochłaniają ich promieniowanie w zakresie widzialnym.

Również jeśli jest ich pewna liczba w jednym obłoku molekularnym, to ich rozróżnienie może być niemożliwe z powodu dużej odległości. Teleskopy kosmiczne takie jak Spitzer, Herschel oraz teleskopy w obserwatoriach na Ziemi nie mają wystarczającej rozdzielczości, aby zarejestrować wszystkie YSOs poza Wielkim Obłokiem Magellana.

Z tego powodu Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest tak użyteczny. Umożliwia obserwacje w wysokiej rozdzielczości, a jego instrumenty są czułe na podczerwień – co pozwala astronomom na obserwacje obszarów gwiazdotwórczych na duże odległości. Dlatego grupa astronomów wykorzystała JWST do obserwacji Galaktyki Trójkąta, która jest bardzo podobna do Wielkiego Obłoku Magellana jeśli chodzi o liczbę rodzących się gwiazd, metaliczność i wielkość. Jednak w przeciwieństwie do tej ostatniej galaktyki – M33 posiada „puchate” ramiona spiralne, które są miejsce narodzin gwiazd w ogromnych obłokach molekularnych. Jest to więc idealny obiekt do takich obserwacji.

Zespół astronomów wykorzystał instrument MIRI na pokładzie Webba do obserwacji wycinka o wielkości 5,5 kiloparseka (~18000 l.św.) w południowych ramionach spiralnych M33. Przydały się wcześniejsze obserwacje z Teleskopu Hubble’a, aby zidentyfikować prawdopodobne lokalizacje YSOs w ramionach spiralnych. Właśnie te lokalizacje obserwował JWST. Wynikiem jest pokaźny katalog zawierający prawie 800 pojedynczych kandydatów na YSOs, który w kolejnym kroku został przeanalizowany.

Analiza młodych obiektów gwiazdowych (YSOs) w Galaktyce Trójkąta

Po uporządkowaniu obserwacji i klasyfikacji tego co zostało znalezione, astronomowie wyciągnęli ciekawe wnioski na temat procesów gwiazdotwórczych w M33. Odkryli, że najbardziej masywne olbrzymie obłoki molekularne są miejscem lokalizacji bardzo dużej liczby kandydatów na młode obiekty gwiazdowe (YSOs).

Ich ilość jest podobna do tej, co obserwujemy w podobnych obłokach w Drodze Mlecznej. Wydaje się, że ramiona spiralne, które były obserwowane, posiadają bardzo efektywny mechanizm powstawania gwiazd. Ten mechanizm nie jest skorelowany z masą ogromnych obłoków molekularnych w M33. Astronomowie nadal próbują wyjaśnić, dlaczego ramiona spiralne są tak efektywnym mechanizmem gwiazdotwórczym.

Jest całkiem możliwe, że nawet z pomocą Webba nie będziemy w stanie zobaczyć najwcześniejsze fazy powstawania gwiazd w tym fragmencie ramion spiralnych Galaktyki Trójkąta. Jest również możliwe, że ramiona spiralne w M33 - opisywane jako „wełniste”, są różne w kilku aspektach na przykład względem ramion spiralnych naszej Drogi Mlecznej.

Ta „puchatość/wełnistość” może być spowodowana przez wielokrotne epizody gwiazdotwórcze, które wpłynęły na wewnętrzną strukturę obłoków gazowo-pyłowych. W naszej Galaktyce ramiona spiralne są dość dobrze zdefiniowane i na pewno są mniej wełniste niż w M33. To może wskazywać na zmiany ewolucyjne, które mają miejsce, gdy w galaktyce są aktywne procesy gwiazdotwórcze. Również padła sugestia ze strony astronomów, że ramiona spiralne, które były obserwowane w M33 nie są tak wydajne jeśli chodzi o narodziny gwiazd.

Ponieważ jest to zaledwie „pierwsze spojrzenie” na procesy gwiazdotwórcze w odległej galaktyce, więc astronomowie wykorzystają te obserwacje do modelowania tego, co ich zdaniem dzieje się w M33. Na koniec powinno to pozwolić na bardzo dokładne oszacowanie liczby powstających gwiazd w badanym obszarze i ekstrapolację tego tempa powstawania gwiazd na inne ramiona spiralne M33 - dając ostatecznie tak bardzo potrzebny wgląd w status ewolucyjny i historię tej galaktyki.

Więcej informacji:

    • Publikacja naukowa → JWST Reveals Star Formation Across a Spiral Arm in M33
    • JWST Sets a New Record, Sees Newly Forming Stars in the Triangulum Galaxy
    • JWST sets a new record, sees newly forming stars in the Triangulum galaxy
    • JWST Breakthrough: Capturing the Birth of Stars in Triangulum Galaxy

Opracowanie: Ryszard Biernikowicz

Źródło: Universe Today

Na ilustracji: Wielobarwny obraz fragmentu ramienia spiralnego Galaktyki Trójkąta (M33) uzyskany różnymi instrumentami (MIRI z Teleskopem Webba, Teleskop Hubble’a), gdzie znajduje się ponad 800 kandydatów na młode obiekty gwiazdowe.
W szczególności za pomocą instrumentu MIRI uzyskano obrazy w barwach o długościach fali λ=21 i 5,6μm (filtry: F2100W i F560W), które odwzorowano na ilustracji odpowiednio kolorami czerwonym i zielonym. Zaś obserwacje z Teleskopu Hubble’a w barwach λ=1,6 i 0,475μm (filtry: F160W i F475W) pokazano jako kolory niebieski i fioletowy. Granice obserwowanych olbrzymich obłoków molekularnych obrysowano białym konturem na podstawie obserwacji teleskopów ALMA. Pogrubiona jasnoniebieska linia prezentuje model logarytmicznego ramienia spiralnego, a czerwona przerywana linia – model dodatkowego ramienia spiralnego M33.
W sekcji u góry po prawej pokazano zdjęcie M33 w filtrze optycznym B z teleskopu naziemnego i w pomarańczowym prostokącie zaznaczono obszar obserwowany przez instrument MIRI. W panelach na dole po lewej pokazano szczegółowe widoki w filtrach MIRI odpowiadające prostokątowi zakreślonego żółtą linią na głównym zdjęciu.
Źródło: arXiv:2312.09188 [astro-ph.GA]