Rdzeń masywnej grupy galaktyk wydaje się pompować znacznie więcej gwiazd niż powinien. Teraz naukowcy z MIT i gdzie indziej odkryli kluczowy składnik w klastrze, który wyjaśnia płodny gwiezdnik rdzenia.
W nowym badaniu opublikowanym w naturze naukowcy informują o teleskopie kosmicznym Jamesa Webba z NASA (JWST) w celu obserwowania klastra Phoenix – rozległej kolekcji galaktyk związanych z grawitacją, które zakrywają centralną masywną galaktykę około 5,8 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Klaster jest największym w swoim rodzaju, jaką do tej pory zaobserwowali naukowcy. Ze względu na swój rozmiar i szacowany wiek Phoenix powinien być tym, co astronomowie nazywają „czerwonym i martwym” – od dawna wykonane z jakąkolwiek formacją gwiazdy charakterystyczną dla młodszych galaktyk.
Ale astronomowie wcześniej odkryli, że rdzeń klastra Phoenix wydawał się zaskakująco jasny, a centralna galaktyka wydawała się uchylać gwiazdy w niezwykle energicznym tempie. Obserwacje podniosły tajemnicę: jak feniks podsycił tak szybką formację gwiazdy?
W młodszych galaktykach „paliwo” do kucia gwiazd jest w postaci bardzo zimnych i gęstych chmur gazu międzygwiezdnego. W przypadku znacznie starszego klastra Phoenix nie było jasne, czy centralna galaktyka może przejść ekstremalne chłodzenie gazu, które było wymagane do wyjaśnienia jego gwiezdnej produkcji, czy też zimny gaz migrował z innych, młodszych galaktyk.
Teraz zespół MIT zyskał znacznie wyraźniejsze spojrzenie na rdzeń klastra, wykorzystując dalekosiężne możliwości JWST, pomijanie podczerwieni. Po raz pierwszy byli w stanie mapować regiony w rdzeniu, w których znajdują się kieszenie „ciepłego” gazu. Astronomowie wcześniej widzieli wskazówki zarówno bardzo gorącego gazu, jak i bardzo zimnego gazu, ale nic pomiędzy.
Wykrywanie ciepłego gazu potwierdza, że klaster Phoenix aktywnie chłodzi i jest w stanie samodzielnie wygenerować ogromną ilość paliwa gwiezdnego.
„Po raz pierwszy mamy pełny obraz fazy gorącej, do połowy w formacji gwiazd, której tak naprawdę nigdy nie obserwowano w żadnej galaktyce”-mówi główny autor nauki Michael Reefe, absolwent fizyki w MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. „Wszędzie, co możemy zobaczyć, istnieje halo tego pośredniego gazu”.
„Pytanie brzmi, dlaczego ten system?” Dodaje współautor Michael McDonald, profesor fizyki w MIT. „Ten ogromny Burburst może być czymś, przez co w pewnym momencie przechodzi każda klaster, ale widzimy, że dzieje się to obecnie w jednym klastrze. Inna możliwość jest to, że jest coś rozbieżnego w tym systemie, a Phoenix poszedł ścieżką, że inne systemy systemowe Nie idź.
Gorący i zimny
Klaster Phoenix został po raz pierwszy zauważony w 2010 roku przez astronomów za pomocą teleskopu bieguna południowego na Antarktydzie. Klaster obejmuje około 1000 galaktyk i leży w konstelacji Phoenix, po czym jest nazwany. Dwa lata później McDonald starał się skupić się na Phoenix za pomocą wielu teleskopów i odkrył, że centralna galaktyka klastra była wyjątkowo jasna. Nieoczekiwana jasność była spowodowana ogniem formacji gwiazdy. On i jego koledzy oszacowali, że ta centralna galaktyka okazuje się gwiazdami w oszałamiającym tempie około 1000 rocznie.
„Przed Phoenix najbardziej tworząca gwiazdy klaster galaktyki we wszechświecie miała około 100 gwiazdek rocznie, a nawet to było wartości odstające. Typowa liczba jest jedna isish”-mówi McDonald. „Phoenix jest naprawdę przesunięty od reszty populacji”.
Od tego odkrycia naukowcy od czasu do czasu sprawdzali klaster, aby wskazówki wyjaśniające nienormalnie wysoką produkcję gwiezdną. Zaobserwowali kieszenie obu ultrahotnych gazów, około 1 miliona stopni Fahrenheita, jak i regiony wyjątkowo zimnego gazu, 10 Kelvins lub 10 stopni powyżej bezwzględnego zera.
Obecność bardzo gorącego gazu nie jest zaskoczeniem: najbardziej masywne galaktyki, młode i stare, goszczące czarne dziury na ich rdzeniach, które emitują strumienie niezwykle energetycznych cząstek, które mogą stale ogrzewać gaz i kurz galaktyki przez całe życie galaktyki. Dopiero we wczesnych stadiach galaktyki niektóre z tego miliona stopni gazu chłodzą dramatycznie do ultrakoldowych temperatur, które mogą następnie tworzyć gwiazdy. Dla centralnej galaktyki klastra Phoenix, która powinna być znacznie za etapem ekstremalnego chłodzenia, obecność ultrakolodowego gazu stanowiła zagadkę.
„Pytanie brzmiało: skąd wziął ten zimny gaz?” McDonald mówi. „To nie jest uważane za to, że gorący gaz nigdy się nie chłodzi, ponieważ może istnieć czarna dziura lub sprzężenie zwrotne Supernova. Tak więc jest kilka realnych opcji, najprostsze jest to, że ten zimny gaz został wrzucony na środek z innych pobliskich galaktyk. Drugi. Drugi. Czy ten gaz w jakiś sposób chłodzi się bezpośrednio z gorącego gazu w rdzeniu. ”
Znaki neonowe
W ich nowym badaniu naukowcy pracowali przy kluczowym założeniu: jeśli zimny, gwiezdny gaz klastra Phoenix pochodzi z centralnej galaktyki, a nie z otaczających galaktyk, centralna galaktyka powinna mieć nie tylko kieszenie gorącego i zimnego Gaz, ale także gaz, który jest w „ciepłym” fazie. Wykrywanie takiego pośredniego gazu byłoby jak łapanie gazu pośród ekstremalnego chłodzenia, służąc jako dowód, że rdzeń klastra był rzeczywiście źródłem zimnego paliwa gwiezdnego.
Po tym rozumowaniu zespół starał się wykryć jakikolwiek ciepły gaz w rdzeniu Phoenix. Szukali gazu, który był gdzieś między 10 Kelvins a 1 milionem Kelvins. Aby poszukać tego Goldilocks Gas w systemie, który znajduje się w odległości 5,8 miliarda lat świetlnych, naukowcy poszli na JWST, który jest w stanie zaobserwować do tej pory dalej niż jakiekolwiek obserwatorium.
Zespół użył spektrometru o średniej rozdzielczości na instrumencie środkowej podczerwieni JWST (MIRI), który umożliwia naukowcom mapowanie światła w widmie podczerwieni. W lipcu 2023 r. Zespół skupił instrument na rdzeniu Phoenix i zebrał obrazy na podczerwień o wartości 12 godzin. Szukali określonej długości fali, która jest emitowana, gdy gaz – w szczególności neonowy gaz – ulega pewnej utraty jonów. To przejście odbywa się na około 300 000 Kelvins, czyli 540 000 stopni Fahrenheita – temperatura, która jest w zakresie „ciepłego” zakresu, który naukowcy chcieli wykryć i mapować. Zespół przeanalizował obrazy i zmapował lokalizacje, w których zaobserwowano ciepły gaz w środkowej galaktyce.
„Ten 300 000 stopni gaz jest jak neon, który świeci w określonej długości fali światła, i mogliśmy zobaczyć kępy i włókna w całym naszym polu widzenia”-mówi Reefe. „Można było to zobaczyć wszędzie”.
W oparciu o zasięg ciepłego gazu w rdzeniu zespół szacuje, że centralna galaktyka przechodzi ogromny stopień ekstremalnego chłodzenia i generuje ilość ultracold gaz każdego roku, która jest równa masie około 20 000 słońc. Z tego rodzaju gwiezdnym zaopatrzeniem paliwa zespół twierdzi, że jest bardzo prawdopodobne, że centralna galaktyka rzeczywiście generuje własny wybuch gwiazdy, a nie używa paliwa z otaczających 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 lepsze zrozumienie ich”.
Ta praca została częściowo sfinansowana przez NASA.