Stukając do wrót Pyłowych Gigantów

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.

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

Materiały graficzne:

Porównanie obrazów uzyskanych z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a (pokazującego emisję promieniowania pochodzącą ze składnika gwiazdowego) i obraz uzyskany z interferometru ALMA (emisja pyłu) galaktyki oddalonej od Ziemi o 11 miliardów lat (Credits: D. Donevski)

Radioteleskopy należące do zespołu największego na świecie interferometru radiowego Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Credits: ESO/C. Malin