Niedawne odkrycia ujawniają nową populację galaktyk we wczesnym etapie rozwoju Wszechświata z wygaszonymi procesami gwiazdotwórczymi, w których zachodzą one szybciej i wcześniej, niż wynikałoby to z teorii ewolucji galaktyk.
Podczas gdy większość wygasłych galaktyk, które widzimy dzisiaj, prowadziła dość pasywny tryb życia, odległe pasywne galaktyki we wczesnym Wszechświecie mogły mieć bardziej aktywną drogę do wygaszenia. Szczegółowe badania pobliskich spokojnych galaktyk ujawniły, że podążają one prostą drogą ewolucji: na początku ich życia następuje wybuch formowania się gwiazd, po którym nadchodzi spokojna egzystencja z niskim tempem gwiazdotwórczym. Z drugiej strony, ostatnie odkrycia ujawniły nową populację galaktyk w stanie spoczynku, które gasną szybciej i wcześniej, niż byłoby to możliwe, gdyby podążały tą prostą drogą ewolucji. Istnienie tak wielu galaktyk w stanie spoczynku na tak wczesnym etapie rozwoju Wszechświata stanowi problem dla ewolucji galaktyk, a intensywna faza wybuchów gwiazd i szybkie wygaszanie procesów gwiazdotwórczych są trudne do odtworzenia w symulacjach kosmologicznych.
Ważne pytanie bez odpowiedzi, związane z tym problemem jest takie, w jaki sposób wybuchy procesów gwiazdotwórczych zostają nagle przerwane lub wygaszone w tych galaktykach? Czy strumienie gazu z kosmicznej sieci, które napędzają powstawanie gwiazd, zostają odcięte? Czy też gaz ten napływa i jest wydalany przez jakieś mechanizmy sprzężenia zwrotnego? Jeden z takich możliwych mechanizmów jest wywołany przez centralną supermasywną czarną dziurę w galaktyce, która wlewa materię i tworzy wokół siebie dysk gorącego, świecącego gazu i pyłu, tworząc aktywne jądro galaktyczne (AGN). AGN pochłania część gazu, a promieniowanie, wiatry i strumienie wyrzucają resztę.
W artykule opublikowanym 29 marca 2022 roku autorzy wykorzystują obszerny katalog obserwacji na wielu długościach fal COSMOS2020, aby zbadać aktywność AGN w spokojnych galaktykach w kosmicznym czasie poprzez dwie podstawowe sygnatury AGN: promieniowania rentgenowskiego i emisji radiowej. Jednak wiele z tych galaktyk i możliwych AGN w ich obrębie, zwłaszcza tych najbardziej oddalonych, jest na tyle słabych, że nie są one indywidualnie wykrywane w badaniach rentgenowskich i radiowych. Aby przezwyciężyć tę słabość i skupić się na typowych (a nie bardzo jasnych) źródłach, autorzy używają techniki zwanej stakowaniem (układanie w stos obrazów), aby scharakteryzować średnie własności próbki galaktyk spokojnych i porównawczej próbki galaktyk gwiazdotwórczych. Poza porównaniem stosów galaktyk spokojnych i galaktyk gwiazdotwórczych, autorzy tworzą siatkę stosów obejmującą masę gwiazdową (czyli jak duża jest galaktyka) i przesunięcie ku czerwieni (jak daleko, a więc jak wcześnie we Wszechświecie znajduje się galaktyka), aby zbadać trendy wzdłuż tych osi.
Aby zbudować siatkę stosów galaktyk, autorzy użyli obserwacji na długościach fal, na których galaktyki były wykrywane pojedynczo (optycznych i podczerwonych) oraz przesunięć ku czerwieni z katalogu COSMOS2020, aby zdecydować, które galaktyki są gwiazdotwórcze, a które spokojne, a także, jak masywna jest każda z nich. Następnie autorzy wykorzystali obserwacje na długościach fal, na których galaktyki nie były indywidualnie wykrywane (rentgenowskie i radiowe), aby umieścić ułożone obserwacje w siatce masy gwiazdowej i przesunięcia ku czerwieni. Uzyskana w ten sposób próbka jest największą i o najwyższym przesunięciu ku czerwieni próbką typowych galaktyk pozostających w stanie spoczynku, jaką do tej pory stworzono.
Pierwszą przeprowadzoną przez autorów analizą stosów były dane rentgenowskie.
Poza identyfikacją ogólnych trendów, fizyczna interpretacja tych zbiorów wymaga zrozumienia, co jest przyczyną emisji promieniowania rentgenowskiego. Emisja promieniowania X pochodzi z dwóch głównych źródeł: rentgenowskich układów podwójnych, które zawierają gęstą pozostałość po gwieździe, energicznie pobierającą materię z gwiazdy znajdującej się na jej orbicie, oraz AGN.
W oparciu o znane zależności pomiędzy tempem powstawania gwiazd i masą gwiazd w galaktyce a oczekiwaną ilością rentgenowskich układów podwójnych, autorzy wyznaczyli względny wkład rentgenowskich układów podwójnych i AGN. Na podstawie tych modeli stwierdzili, że rentgenowskie układy podwójne mogą wyjaśniać większość emisji rentgenowskiej w przypadku stosów galaktyk gwiazdotwórczych. Z drugiej strony, w przypadku galaktyk spokojnych średnia emisja promieniowania X w każdym stosie była 5-50 razy wyższa niż oczekiwana tylko od rentgenowskich układów podwójnych, co sugeruje, że duża część emisji rentgenowskiej pochodzi z AGN. Ponadto, największą różnicę pomiędzy próbkami gwiazdotwórczymi i spokojnymi znaleziono w najwyższym przedziale przesunięcia ku czerwieni, co wskazuje na to, że AGN mogą odgrywać rolę w wygaszaniu procesów gwiazdotwórczych we wczesnym okresie Wszechświata.
Aby jeszcze lepiej zweryfikować swoje odkrycia, autorzy zestawili dane z innej głównej sygnatury AGN: emisji radiowej. Podobnie jak w przypadku promieniowania rentgenowskiego, emisja radiowa pochodzi z dwóch głównych źródeł w galaktykach: jednego związanego z trwającym procesem gwiazdotwórczym i drugiego związanego z AGN. Biorąc pod uwagę empirycznie znaną korelację pomiędzy tempem formowania się gwiazd a jasnością radiową, autorzy ustalili, że stosy galaktyk w spoczynku mają 3-10 razy większą emisję radiową niż można by się spodziewać po samym procesie gwiazdotwórczym, podczas gdy stos galaktyk gwiazdotwórczych można wyjaśnić przede wszystkim formowaniem się gwiazd. Zgodnie z wynikami badań rentgenowskich sugeruje to, że słabe AGN-y są wszechobecne w galaktykach w stanie spoczynku.
Jak działa mechanizm informacji zwrotnej AGN do wygaszania galaktyk? Wiemy, że w pobliskich galaktykach wygaszanie ma tendencję do występowania w przypadku bardziej aktywnych AGN. Wynika to z dwóch procesów: informacji zwrotnej z kwazara oraz informacji zwrotnej z radioźródła. W informacji zwrotnej z kwazara wiatr z jasnego AGN wypycha gaz z galaktyki i hamuje powstawanie gwiazd. W przypadku informacji zwrotnej z radioźródła, zwykle słabszy AGN ogrzewa gaz w galaktyce i wokół niej za pomocą strumieni radiowych, co zapobiega ochładzaniu się gazu i formowaniu gwiazd. W ten sposób feedback z radioźródła utrzymuje stan spoczynku, a nie tylko ogranicza możliwość powstawania gwiazd poprzez wyrzucanie paliwa. Autorzy zauważają, że ich słaba, typowa próbka prawdopodobnie podlega głównie sprzężeniu zwrotnemu w trybie radiowym, z pewnym wygaszaniem środowiska innego niż AGN przy niższym przesunięciu ku czerwieni.
Co więc stosy te mówią nam o ewolucji galaktyk? Wszechobecne sygnatury AGN, zarówno w promieniowaniu X, jak i radiowym dają nam interesujące wskazówki na temat procesów wygaszania: codzienne spokojne galaktyki często posiadają AGN, a informacje zwrotne od słabych AGN w ich wnętrzach są prawdopodobnie przyczyną wyłączania procesów gwiazdotwórczych w galaktykach tak nagle i wcześnie we Wszechświecie.
Więcej informacji:
- A Serving of X-rays in a Stack of Galaxies
- COSMOS2020: Ubiquitous AGN Activity of Massive Quiescent Galaxies at 0<z<5 Revealed by X-ray and Radio Stacking
Źródło: AAS
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Obraz optyczny (czerwony, zielony i niebieski) oraz rentgenowski (fioletowy) uwydatnia środowiska o wysokiej energii, takie jak rozgrzany gaz i akrecyjne układy podwójne w galaktyce Wir (M51). Źródło: X: NASA/CXC/Wesleyan Univ./R.Kilgard, i inni; Optyczne: NASA/STScI.
