Przejdź do treści

Dramatyczne procesy gwiazdotwórcze ukryte w protogromadach sprzed 12 miliardów lat

img

Zespół astronomów wykrył silną emisję podczerwieni z protogromady pochodzącej sprzed 12 mld lat, wykorzystując głęboki i szeroki pozagalaktyczny przegląd z instrumentu Hyper Suprime-Cam (HSC) zamontowanego na Teleskopie Subaru oraz archiwalne dane w podczerwieni zebrane przez różne teleskopy kosmiczne. Wykryte emisje w podczerwieni były jaśniejsze niż te, których można było się spodziewać po populacji galaktykach obserwowanych w świetle widzialnym. Wyniki te wskazują na dramatyczne formowanie się gwiazd i wzrost masywnych czarnych dziur, które świecą w podczerwieni.

We Wszechświecie jest wiele galaktyk. Istnieje zależność środowiskowa typów galaktyk, taka, że galaktyki eliptyczne dominują w gromadach galaktyk, podczas gdy galaktyki spiralne dominują na polach ogólnych. Aby zbadać, w jaki sposób rozwinęła się zależność galaktyki od środowiska, zespół zbadał prekursorów współczesnych gromad galaktyk, zwanych protogromadami.

Aby ograniczyć typowe właściwości protogromad, naukowcy musieli obserwować statystycznie wiele z nich. Jednak liczba powierzchniowa gęstości protogromad jest zbyt niska, aby łatwo je wyszukać. Dlatego znana jest tylko niewielka ilość protogromad, które istniały ponad 10 mld lat temu.

Instrument HSC na teleskopie Subaru umożliwia skuteczne wyszukiwanie protogromad. HSC to kamera optyczna o niezwykle szerokim polu widzenia (ok. 1,8 stopnia kwadratowego, co odpowiada powierzchni 9 Księżyców w pełni) i wysokiej czułości. Obecnie trwa głęboki i szeroki pozagalaktyczny przegląd z HSC (HSC-SSP). Z przeglądu obejmującego 120 stopni kwadratowych zespół wybrał około 180 kandydatów na protogromady. Jest to największy w historii katalog protogromad.

Teleskop Subaru jest teleskopem optycznym, ale aby bardziej szczegółowo zbadać właściwości galaktyk, potrzebne są obserwacje na różnych długościach fali. W przypadku galaktyki z szybkim procesem formowania się gwiazd, większość światła z jej młodych gwiazd jest pochłaniana przez otaczający pył. Zespół musiał obserwować emisje podczerwone/radiowe ponownie emitowane z pyłu, aby prawidłowo ocenić tempo powstawania gwiazd w galaktyce. Jednak trudno jest obserwować w podczerwieni za pomocą teleskopów naziemnych, ponieważ większość tej emisji jest absorbowana przez parę wodną w ziemskiej atmosferze. Nie ma działającego kosmicznego teleskopu o czułości wymaganej do obserwowania galaktyk sprzed 12 mld lat w podczerwieni. ALMA może obserwować odległe galaktyki na radiowych długościach fali, jednak dostępny zakres długości fali jest ograniczony i niepraktyczne jest obserwowanie ponad 100 protogromad.

Aby zbadać właściwości galaktyk w protogromadach w podczerwieni, zespół naukowców skoncentrował się na archiwalnych zdjęciach z przeglądu całego nieba w średniej podczerwieni wykonanych przez pięć teleskopów kosmicznych, takich jak Planck, IRAS, WISE, Herschel oraz AKARI. Rozdzielczość przestrzenna i czułość tych obrazów są zbyt niskie, aby pojedynczo analizować odległe galaktyki, jednak zestawienie 180 kandydatów do protogromad wybrane z HSC, skutecznie ograniczyły średni całkowity strumień podczerwieni z protogromad. Szczególnie nieznany jest strumień średniej podczerwieni o długości 30-200 mikronów z galaktyk sprzed 12 mld lat.

Zaskakujące jest to, że średni całkowity strumień podczerwieni w protogromadach jest jaśniejszy niż ten, którego oczekiwano od populacji galaktyk znalezionych przez HSC. Oznacza to, że istnieją galaktyki, których nie można zaobserwować w świetle optycznym, ale które świecą w podczerwieni.

Jakie jest źródło tej silnej emisji w podczerwieni? Zespół zbadał rozkład strumienia do długości fali w podczerwieni i stwierdził, że średnia temperatura pyłu w protogromadach jest wyższa niż w typowej galaktyce tworzącej gwiazdy. Oznacza to, że istnieją nie tylko typowe galaktyki tworzące gwiazdy, ale także rosnące supermasywne czarne dziury w gromadach galaktyk (tzw. aktywne jądra galaktyczne) i/lub młode gorące zakurzone galaktyki tworzące gwiazdy, które podgrzewają pył do wyższych temperatur.

Aby bardziej szczegółowo zbadać galaktyki w protogromadach, poszczególne galaktyki w nich zawarte muszą być rozdzielone w średniej i dalekiej podczerwieni, jednak w tym momencie nie ma teleskopu zdolnego do takich obserwacji. W przyszłości SPICA, teleskop planowany przez Japonię i ESA ujawni kształty odległych galaktyk w średniej podczerwieni. Z drugiej strony, w przeciwieństwie do HSC, SPICA nie będzie przeznaczony do przeglądów szerokiego pola.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Dramatic Starbursts Hidden in Protoclusters at 12 Billion Years Ago

Planck Far-infrared Detection of Hyper Suprime-Cam Protoclusters at z ~ 4: Hidden AGN and Star Formation Activity

Źródło: Subaru Telescope