Obserwacje z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pomagają wyjaśnić tajemniczy wybuch gwiazdy gromady, zwykle obserwowane tylko w młodszych galaktykach.
Jądro masywnej gromady galaktyk wydaje się wypompowywać znacznie więcej gwiazd niż powinien. Teraz naukowcy z MIT i innych miejsc odkryli kluczowy składnik w gromadzie, który wyjaśnia płodny powłok gwiazdy jądra.
W nowym badaniu opublikowanym w Nature , naukowcy donoszą, że za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) do obserwacji gromady Phoenix – rozległego zbioru grawitacyjnie powiązanych galaktyk, które okrążają centralną galaktykę około 5,8 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Gromada jest największą tego typu grupą, którą naukowcy do tej pory zaobserwowali. Ze względu na swój rozmiar i szacowany wiek, Phoenix powinien być tym, co astronomowie nazywają „czerwonymi i umarłymi” – długo robionymi z formowaniem się gwiazd, które są charakterystyczne dla młodszych galaktyk.
Ale astronomowie odkryli wcześniej, że jądro gromady Phoenix wydaje się zaskakująco jasne, a galaktyka centralna wydawała się wypuszczać gwiazdy w niezwykle energicznym tempie. Obserwacje wzbudziły zagadkę: W jaki sposób Phoenix podsyca tak szybkie formowanie się gwiazd?
W młodych galaktykach „paliwo” do kucia gwiazd ma postać ekstremalnie zimnych i gęstych obłoków gazu międzygwiezdnego. Dla znacznie starszej gromady Phoenix nie było jasne, czy galaktyka centralna może przejść ekstremalne ochłodzenie gazu, który byłby wymagany do wyjaśnienia jej gwiezdnej produkcji, czy też zimny gaz migrował z innych, młodszych galaktyk.
Teraz zespół MIT zyskał znacznie jaśniejszy obraz rdzenia gromady, wykorzystując daleko idące, mierzące podczerwień JWST. Po raz pierwszy udało im się zmapować regiony w rdzeniu, w których znajdują się kieszenie „ciepłego” gazu. Astronomowie widzieli wcześniej ślady zarówno bardzo gorącego gazu, jak i bardzo zimnego gazu, ale nic pomiędzy.
Wykrycie ciepłego gazu potwierdza, że klaster Phoenix aktywnie się chłodzi i jest w stanie samodzielnie wygenerować ogromną ilość paliwa gwiezdnego.
“Po raz pierwszy mamy pełny obraz fazy gorącej do ciepłej od zimnej w formowaniu się gwiazd, której nigdy nie zaobserwowano w żadnej galaktyce” – mówi główny autor badania Michael Reefe, absolwent fizyki w Instytucie Astrofizyki i Badań Kosmicznych MIT. „Wszędzie jest halo tego pośredniego gazu, gdzie możemy zobaczyć.”
Pytanie brzmi: po co ten system?” Współautor Michael McDonald, profesor fizyki w MIT. „Ten ogromny rozbłysk gwiazdy może być czymś, przez co każda gromada przechodzi w pewnym momencie, ale widzimy tylko, że dzieje się to obecnie w jednej gromadzie. Inną możliwością jest to, że w tym systemie jest coś rozbieżnego, a Phoenix poszedł ścieżką, której inne systemy nie idą. Byłoby to interesujące do zbadania”.
Gorące i zimne i zimne
Gromada Phoenix została po raz pierwszy zauważona w 2010 roku przez astronomów korzystających z teleskopu biegunowego na Antarktydzie. Gromada składa się z około 1000 galaktyk i leży w konstelacji Phoenix, po której jest nazwany. Dwa lata później McDonald poprowadził wysiłki, aby skupić się na Phoenix za pomocą wielu teleskopów i odkrył, że centralna galaktyka gromady jest niezwykle jasna. Nieoczekiwana jasność wynikała z węzłów formowania się gwiazd. On i jego koledzy oszacowali, że ta centralna galaktyka wydobywała gwiazdy w tempie około 1000 rocznie.
„Wcześniej w Phoenix, najbardziej gwiazdotwórcza gromada galaktyk we Wszechświecie miała około 100 gwiazd rocznie, a nawet to było odstające. Typowa liczba to jedna-ish” – mówi McDonald. Phoenix jest naprawdę zrekompensowany przez resztę populacji.
Od czasu tego odkrycia naukowcy od czasu do czasu sprawdzali klaster w celu wyjaśnienia nienormalnie wysokiej produkcji gwiazd. Zaobserwowali kieszenie zarówno ultragorącego gazu, o temperaturze około 1 miliona stopni Fahrenheita, jak i obszarów ekstremalnie zimnego gazu, 10 kelwinów, lub 10 stopni powyżej zera absolutnego.
Obecność bardzo gorącego gazu nie jest zaskoczeniem: większość masywnych galaktyk, młodych i starych, żywi czarnych dziur w swoich jądrach, które emitują dżety niezwykle energetycznych cząstek, które mogą stale nagrzewać gaz i pył galaktyki przez całe życie galaktyki. Dopiero we wczesnych stadiach galaktyki część tego miliona stopni gazu ochłoduje się dramatycznie do ultrazimnych temperatur, które mogą następnie tworzyć gwiazdy. Dla centralnej galaktyki gromady Phoenix, która powinna być znacznie poza etapem ekstremalnego ochładzania, obecność ultrazimnego gazu stanowiła zagadkę.
Pytanie brzmiało: skąd pochodzi ten zimny gaz? – mówi McDonald. „Nie jest rzeczą oczywistą, że gorący gaz kiedykolwiek ostygnie, ponieważ może być czarna dziura lub sprzężenie zwrotne z supernowej. Istnieje więc kilka żywotnych opcji, najprostszym jest to, że ten zimny gaz został wrzucony do centrum z innych pobliskich galaktyk. Drugim jest to, że ten gaz w jakiś sposób bezpośrednio ochładza się z gorącego gazu w rdzeniu. Znaki neonu
W swoich nowych badaniach naukowcy pracowali przy kluczowym założeniu: jeśli zimny, gwiazdotwórczy gaz gromady pochodzi z wnętrza galaktyki centralnej, a nie z okolicznych galaktyk, galaktyka centralna powinna mieć nie tylko kieszenie gorącego i zimnego gazu, ale także gaz, który znajduje się w „ciepłej” fazie pośredniej. Wykrywanie takiego pośredniego gazu byłoby jak złapanie gazu w środku ekstremalnego ochładzania, służąc jako dowód na to, że rdzeń gromady był rzeczywiście źródłem zimnego paliwa gwiezdnego.
Po tym rozumowaniu zespół starał się wykryć każdy ciepły gaz w rdzeniu Phoenix. Szukali gazu, który był gdzieś pomiędzy 10 kelwinami i 1 milionem kelwinów. Aby wyszukać ten gaz Goldilocks w systemie oddalonym o 5,8 miliarda lat świetlnych, naukowcy przyjrzeli się JWST, który jest w stanie obserwować dalej i wyraźniej niż jakiekolwiek obserwatorium do tej pory.
Zespół wykorzystał spektrometr średniej rozdzielczości na środkowopodmie IST (MIRI), który umożliwia naukowcom mapowanie światła w widmie podczerwonym. W lipcu 2023 roku zespół skupił instrument na rdzeniu Phoenix i zebrał 12-godzinne obrazy podczerwone. Poszukiwali określonej długości fali, która jest emitowana, gdy gaz – w szczególności gaz neonowy – ulega pewnej utracie jonów. Przejście to występuje przy około 300 000 kelwinów, czyli 540 000 stopni Fahrenheita – temperatury, która znajduje się w „ciepłym” zakresie, który naukowcy chcieli wykryć i zmapować. Zespół przeanalizował zdjęcia i zmapował miejsca, w których obserwowano ciepły gaz w centralnej galaktyce.
„Ten 300-stopniowy gaz jest jak neonowy znak, który świeci w określonej długości fali światła i możemy zobaczyć jego grudki i włókna w całym naszym polu widzenia” – mówi Reefe. „Można to zobaczyć wszędzie”.
Opierając się na zasięgu ciepłego gazu w jądrze, zespół szacuje, że galaktyka centralna przechodzi ogromny stopień ekstremalnego ochłodzenia i generuje ilość ultra-mrocznego gazu, który jest równy masie około 20 000 słońc. Dzięki temu rodzajowi zaopatrzenia w paliwo gwiezdne, zespół twierdzi, że jest bardzo prawdopodobne, że galaktyka centralna rzeczywiście generuje swój własny wybuch gwiazdy, zamiast używać paliwa z okolicznych galaktyk.
„Myślę, że całkiem całkowicie rozumiemy, co się dzieje, jeśli chodzi o to, co generuje wszystkie te gwiazdy” – mówi McDonald. „Nie rozumiemy dlaczego. Ale ta nowa praca otworzyła nowy sposób obserwowania tych systemów i lepszego ich rozumienia.