Stukając do wrót Pyłowych Gigantów. Naukowcy NCBJ w artykule o jednej z największych zagadek powstania wszechświata

Międzynarodowy zespół naukowców, w tym dwoje naukowców z NCBJ - Katarzyna Małek i William Pearson, rzucił światło na złożone procesy fizyczne związane z wytwarzaniem pyłu, metali i gwiazd w ewolucji galaktyk. Badacze przeanalizowali dużą próbkę odległych, pyłowych galaktyk wykrytych za pomocą ALMA. Badanie, opublikowane w Astronomy & Astrophysics, ujednoliciło metody obserwacyjne i teoretyczne, znajdując dowody na szybki wzrost pyłu w młodych, ale już bogatych w metale galaktykach w odległym Wszechświecie.

Zobacz też: Odkryto czarną dziurę o masie 142 słońc.

Zagadka związana z narodzinami wszechświata

Dwa miliardy lat po Wielkim Wybuchu Wszechświat był wciąż bardzo młody. Jednak już powstały w nim tysiące ogromnych galaktyk, bogatych w gwiazdy i pył. Międzynarodowe badanie prowadzone równocześnie przez Wyższą Międzynarodową Szkołę Badań Zaawansowanych (SISSA) w Trieście oraz Narodowe Centrum Badań Jądrowych z udziałem międzynarodowego zespołu naukowców wyjaśnia teraz, jak to było możliwe. Naukowcy połączyli metody obserwacyjne i teoretyczne, aby zidentyfikować procesy fizyczne leżące u podstaw ich ewolucji i po raz pierwszy znaleźli dowody na szybki wzrost zawartości pyłu w tych galaktykach spowodowany wysokim stężeniem metali w odległym Wszechświecie. Badanie, opublikowane w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics, przedstawia nowe podejście do badania fazy ewolucyjnej masywnych obiektów.

Odległe galektyki, istniejące w bardzo wczesnym Wszechświecie, ale już masywne i bardzo aktywnie tworzące nowe gwiazdy stanowią od momentu ich odkrycia 20 lat temu prawdziwe wyzwanie dla astronomów. – Z jednej strony są one trudne do wykrycia, ponieważ znajdują się w gęstych obszarach odległego Wszechświata i zawierają cząstki pyłów, które pochłaniają większość światła optycznego emitowanego przez młode gwiazdy – wyjaśnia dr Drako Donevski, stypendysta SISSA i główny autor badania. – Z drugiej strony wiele z tych pyłowych „olbrzymów” powstało w czasach, gdy Wszechświat był bardzo młody – miał mniej niż 1 miliard lat – i nadal pozostaje zagadką pytanie, jak tak duża ilość pyłu mogła zostać wyprodukowana tak wcześnie we Wszechświecie.

Badanie tych egzotycznych obiektów jest teraz możliwe dzięki Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA). Interferometr składający się z 66 teleskopów umieszczony jest na pustyni Atakama w północnym Chile i jest w stanie wykryć światło podczerwone, które przenika przez pyłowe chmury, ujawniając obecność nowo tworzących się gwiazd. Jednak pochodzenie dużej ilości pyłu we wczesnym czasie kosmicznym wciąż pozostaje otwartą kwestią dla astronomów. – Przez wiele lat naukowcy sądzili, że powstawanie pyłu kosmicznego jest spowodowane wyłącznie eksplozjami supernowych. Jednak ostatnie prace teoretyczne sugerują, że zawartość pyłu może również wzrastać w wyniku zderzeń cząstek zimnego, bogatego w metale gazu, który wypełnia galaktyki – wyjaśnia naukowiec. Międzynarodowy zespół nuczonych z instytucji w Europie, USA, Kanadzie i RPA, kierowany przez dra Donevskiego, połączył metody obserwacyjne i teoretyczne, aby zbadać 300 odległych, zapylonych galaktyk w nadziei, że pomoże to odkryć pochodzenie tych "gigantów".

– Wyznaczyliśmy właściwości fizyczne naszych galaktyk, stosując specjalną technikę modelowania ich szerokopasmowych widm energetycznych - uzupełnia dr hab. Katarzyna Małek, adiunkt w Zakładzie Astrofizyki Narodowego Centrum Badań Jądrowych. – Jest to istotne źródło informacji o naturze galaktyk, ponieważ wiele złożonych procesów fizycznych, które w nich zachodzą, pozostawia swój ślad w ich widmie. Widmo energetyczne, czyli zależność wypromieniowywanej energii od długości fali, to swoiste DNA galaktyki. Modelowanie widm energetycznych pomaga nam oszacować takie wielkości fizyczne, jak masa pyłu lub masa gwiazd w galaktyce. Dzięki analizie widm szerokopasmowych udało nam się zidentyfikować dwie różne populacje galaktyk w naszej próbce: typowe galaktyki aktywne gwiazdotwórczo - tak zwane galaktyki ciągu głównego, i ekstremalne obiekty, w których zachodzą wyjątkowo intensywne procesy gwiazdotwórcze (ang. starburst galaxies). Taka ekstremalna galaktyka tworzy rocznie gwiazdy o łącznej masie nawet 10-100 mas Słońca.

– Znaleźliśmy ogromną ilość masy pyłu w większości naszych galaktyk” – uzupełnia dr Donevski. – Nasze szacunki pokazały, że wybuchy supernowych nie mogą być odpowiedzialne za to wszystko, a część musiała powstać w wyniku zderzeń cząstek w środowisku bogatym w gazowe metale wokół masywnych gwiazd, jak wcześniej przewidywały to modele teoretyczne. To pierwszy przypadek, kiedy dane obserwacyjne potwierdzają istnienie obu mechanizmów produkcji.

Naukowcy przyjrzeli się również zmianom w czasie stosunku masy pyłu do masy gwiazd, aby zbadać, jak skutecznie galaktyki tworzą i niszczą pył podczas swojej ewolucji. – To pozwoliło nam zidentyfikować cykl życia pyłu w dwóch różnych populacjach galaktyk: normalnych, oraz bardziej ekstremalnych, szybko ewoluujących galaktykach gwiazdotwórczych – powiedziała Lara Pantoni, doktorantka w SISSA, która opracowała model analityczny służący do interpretacji danych i wykazujący ogromny potencjał w opisywaniu różnic w tych dwóch grupach obserwowanych galaktyk. – Co ciekawe, wykazaliśmy również, że bez względu na odległość, masę lub rozmiar gwiazd, zwarte galaktyki gwiazdotwórcze zawsze mają wyższy stosunek masy pyłu do masy gwiazdy niż zwykłe galaktyki.

Aby w pełni ocenić wyniki obserwacji, zespół astronomów skonfrontował także swoje dane z najnowszymi modelami i symulacjami galaktyk. Wykorzystano symulację kosmologiczną SIMBA, nowy zestaw, który symuluje powstawanie i ewolucję milionów galaktyk od początku Wszechświata do chwili obecnej, śledząc wszystkie ich właściwości fizyczne, w tym masę pyłu. – Do tej pory modele teoretyczne miały problemy z jednoczesnym dopasowaniem zawartości pyłu w galaktykach, jak i właściwości gwiazd. Jednak nasz nowy pakiet symulacji kosmologicznych SIMBA był w stanie odtworzyć większość zaobserwowanych danych – wyjaśnia Desika Narayanan, profesor astronomii na Uniwersytecie Florydy i członek instytutu DAWN w Kopenhadze.

– Z naszych badań wynika, że produkcja pyłu w "Gigantach" jest zdominowana przez bardzo szybki wzrost ilości cząstek w wyniku ich zderzeń z gazem – podsumowuje dr Donevski. – Stanowi to pierwszy dowód na poparcie tezy, że powstawanie pyłu zachodzi zarówno podczas śmierci gwiazd, jak i w przestrzeni między tymi masywnymi gwiazdami, jak zakładają badania teoretyczne. Co więcej, nasza praca oferuje nowe, mieszane podejście do badania ewolucji masywnych obiektów w odległym Wszechświecie, które będą testowane za pomocą przyszłych teleskopów kosmicznych, takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.

Artykuł "In pursuit of giants I. The evolution of the dust-to-stellar mass ratio in distant dusty galaxies" autorstwa D. Donevski, A. Lapi, K. Małek, D. Liu, C. Gómez-Guijarro, R. Davé, K. Kraljic, L. Pantoni, A. Man, S. Fujimoto, A. Feltre, W. Pearson, Q. Li, D. Narayanan został opublikowany przez czasopismo  Astronomy & Astrophysics i jest dostępny pod adresem: https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2020/12/aa38405-20/aa38405-20.html oraz https://arxiv.org/abs/2008.09995

ip

fot. bertomic z Pixabay