Obserwacje z Teleskopu Webba pomagają wyjaśnić tajemnicze intensywne procesy gwiazdotwórcze w gromadzie, zwykle widoczne tylko w młodszych galaktykach.
Jądro olbrzymiej gromady galaktyk wydaje się produkować znacznie więcej gwiazd niż powinno. Naukowcy z MIT i innych instytutów odkryli kluczowy składnik gromady, który wyjaśnia intensywne rozbłyski gwiazdotwórcze w jej jądrze.
W nowym artykule opublikowanym w Nature, naukowcy donoszą o wykorzystaniu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) do obserwacji gromady Feniksa – rozległego zbioru galaktyk związanych grawitacyjnie, które okrążają centralną masywną galaktykę około 5,8 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Jest to największa tego typu gromada, jaką do tej pory udało się zaobserwować naukowcom. Biorąc pod uwagę jej rozmiar i szacowany wiek, gromada Feniksa powinna być tym, co astronomowie nazywają „czerwoną i martwą” – już dawno zakończyła formowanie się gwiazd, co jest charakterystyczne dla młodszych galaktyk.
Astronomowie odkryli jednak wcześniej, że jądro gromady Feniksa było zaskakująco jasne, a centralna galaktyka wydawała się produkować gwiazdy w niezwykle szybkim tempie. Obserwacje te zrodziły zagadkę: w jaki sposób Feniks napędzał tak szybkie procesy gwiazdotwórcze.
W młodszych galaktykach „paliwo” do produkcji gwiazd ma postać niezwykle zimnych i gęstych obłoków gazu międzygwiazdowego. W przypadku znacznie starszej gromady Feniksa nie było jasne, czy galaktyka centralna mogła ulec ekstremalnemu ochłodzeniu gazu, które byłoby wymagane do wyjaśnienia produkcji gwiazd, czy też zimny gaz migrował z innych, młodszych galaktyk.
Teraz zespół MIT uzyskał znacznie wyraźniejszy obraz jądra gromady, wykorzystując dalekosiężne możliwości pomiarowe JWST w podczerwieni. Po raz pierwszy udało im się zmapować regiony w jądrze, w których znajdują się kieszenie „ciepłego” gazu. Wcześniej astronomowie widzieli ślady zarówno bardzo gorącego, jak i bardzo zimnego gazu, ale nic pomiędzy nimi.
Wykrycie ciepłego gazu potwierdza, że gromada Feniksa aktywnie się ochładza i jest w stanie samodzielnie wygenerować ogromną ilość gwiezdnego paliwa.
Po raz pierwszy mamy pełny obraz fazy gorącej, ciepłej i zimnej w procesie gwiazdotwórczym, która tak naprawdę nigdy nie była obserwowana w żadnej galaktyce – powiedział główny autor artykułu Michael Reefe z Kavli Institute for Astrophysics and Space Research w MIT. Wszędzie tam, gdzie możemy zaobserwować halo tego pośredniego gazu.
Pytanie brzmi, dlaczego akurat ten układ? – dodał współautor Michael McDonald, profesor fizyki na MIT. Ten intensywny proces gwiazdotwórczy może być czymś, przez co w pewnym momencie przechodzi każda gromada, ale obecnie obserwujemy go tylko w jednej gromadzie. Inną możliwością jest to, że w tym układzie jest coś zbieżnego, a Feniks podążył ścieżką, którą inne układy nie podążają. Byłoby to interesujące do zbadania.
Gorący i zimny
Gromada Feniksa została po raz pierwszy zaobserwowana w 2010 roku przez astronomów korzystających z South Pole Telescope na Antarktydzie. Gromada składa się z około 1000 galaktyk i znajduje się w konstelacji Feniksa, od którego pochodzi jej nazwa. Dwa lata później McDonald kierował działaniami mającymi na celu skupienie się na Feniksie przy użyciu wielu teleskopów i odkrył, że centralna galaktyka gromady jest niezwykle jasna. Nieoczekiwana jasność wynikała z nawałnicy formowania się gwiazd. On i jego koledzy oszacowali, że ta centralna galaktyka tworzyła gwiazdy w oszałamiającym tempie około 1000 rocznie.
Przed Feniksem najbardziej gwiazdotwórcza gromada galaktyk we Wszechświecie tworzyła około 100 gwiazd rocznie, a nawet to było wartością odstającą. Typowa liczba wynosi około jednej na rok – powiedział McDonald. Feniks naprawdę odstaje od reszty populacji.
Od momentu tego odkrycia naukowcy od czasu do czasu sprawdzali gromadę w poszukiwaniu wskazówek wyjaśniających nienormalnie wysoką produkcję gwiazd. Zaobserwowali oni zarówno obszary bardzo gorącego gazu o temperaturze około pół miliona stopni Celsjusza, jak i region bardzo zimnego gazu o temperaturze 10 kelwinów, czyli 10 stopni powyżej zera bezwzględnego.
Obecność bardzo gorącego gazu nie jest zaskoczeniem: Większość masywnych galaktyk, zarówno młodych, jak i starych, posiada w swoich jądrach czarne dziury emitujące strumienie niezwykle energetycznych cząstek, które mogą nieustannie podgrzewać gaz i pył galaktyki przez cały okres jej życia. Tylko we wczesnych stadiach galaktyki część tego gazu o temperaturze milionów stopni gwałtownie ochładza się do skrajnie niskich temperatur, w którym następnie mogą powstać gwiazdy. W przypadku galaktyki centralnej gromady Feniksa, która powinna być już daleko za etapem ekstremalnego chłodzenia, obecność skrajnie zimnego gazu stanowiła zagadkę.
Pytanie brzmiało: Skąd wziął się ten zimny gaz? – powiedział McDonald. Nie jest oczywiste, że gorący gaz kiedykolwiek się ochłodzi, ponieważ może dojść do sprzężenia zwrotnego z czarną dziurą lub supernową. Istnieje więc kilka realnych opcji, z których najprostsza jest taka, że ten zimny gaz został wrzucony do centrum z innych pobliskich galaktyk. Inną jest to, że gaz ten w jakiś sposób chłodzi się bezpośrednio od gorącego gazu w jądrze.
Neony
Na potrzeby nowego badania naukowcy przyjęli kluczowe założenie: Jeśli zimny, gwiazdotwórczy gaz gromady Feniksa pochodzi z galaktyki centralnej, a nie z otaczających ją galaktyk, galaktyka centralna powinna mieć nie tylko kieszenie gorącego i zimnego gazu, ale także gaz znajdujący się w „ciepłej” fazie pośredniej. Wykrycie takiego pośredniego gazu byłoby jak złapanie gazu w trakcie ekstremalnego chłodzenia, służąc jako dowód, że jądro gromady było rzeczywiście źródłem zimnego paliwa gwiezdnego.
Kierując się tym rozumowaniem, zespół starał się wykryć jakikolwiek ciepły gaz w jądrze Feniksa. Poszukiwano gazu o temperaturze od 10 kelwinów do miliona kelwinów. Aby znaleźć ten umiarkowany gaz w układzie odległym o 5,8 miliarda lat świetlnych, naukowcy zwrócili się do JWST, który jest w stanie obserwować dalej i wyraźniej niż jakiekolwiek dotychczasowe obserwatorium.
Zespół użył spektrometru o średniej rozdzielczości na instrumencie MIRI (Mid-Infrared Instrument) JWST, który umożliwia naukowcom mapowanie światła w widmie podczerwonym. W lipcu 2023 roku zespół skupił instrument na jądrze Feniksa i zbierał 12-godzinne obrazy w podczerwieni. Szukali określonej długości fali, która jest emitowana, gdy gaz – w szczególności neon – ulega pewnej utracie jonów. Przemiana ta zachodzi w temperaturze około 300 000 kelwinów – jest to temperatura, która mieści się w „ciepłym” zakresie, który naukowcy chcieli wykryć i zmapować. Zespół przeanalizował obrazy i zmapował lokalizacje, w których zaobserwowano ciepły gaz w centralnej galaktyce.
Ten gaz o temperaturze 300 000 kelwinów jest jak neon, który świeci w określonej długości fali światła i mogliśmy zobaczyć jego skupiska i włókna w całym naszym polu widzenia – powiedział Reefe. Widać go było wszędzie.
Bazując na ilości ciepłego gazu w jądrze, zespół szacuje, że galaktyka centralna przechodzi ogromny stopień ekstremalnego ochłodzenia i każdego roku generuje ilość skrajnie zimnego gazu równą masie około 20 000 słońc. Biorąc pod uwagę taką ilość gwiezdnego paliwa, zespół twierdzi, że jest bardzo prawdopodobne, że galaktyka centralna rzeczywiście generuje swoje własne intensywne procesy gwiazdotwórcze, zamiast wykorzystywać paliwo z otaczających ją galaktyk.
Myślę, że całkiem dobrze rozumiemy, co się dzieje, jeśli chodzi o to, co generuje te wszystkie gwiazdy – powiedział McDonald. Nie rozumiemy, dlaczego. Ale ta nowa praca otworzyła nowy sposób obserwowania tych układów i lepszego ich zrozumienia.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
MIT
