Gwiazdy powstają w ten sam sposób od 10 miliardów lat

Astronomowie korzystając z należącego do NASA Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra odkryli, że gwiazdy w największych galaktykach Wszechświata, powstają w taki sam sposób od dziesięciu miliardów lat.

„Zaskakujące jest to, że istnieje wiele rzeczy, które mogły wpłynąć na powstawanie gwiazd w ciągu ostatnich dziesięciu miliardów lat. Ostatecznie jednak głównym czynnikiem wpływającym na tworzenie się tych kosmicznych olbrzymów w ogromnych galaktykach sprowadza się tak naprawdę do jednej rzeczy – tego, czy otaczający je gorący gaz może wystarczająco szybko ostygnąć” – tłumaczy Michael Calzadilla z Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Gromady galaktyk są największymi obiektami we Wszechświecie utrzymywanymi razem przez grawitację i zawierają ogromne ilości gorącego gazu widocznego w promieniowaniu rentgenowskim. Masa tego gorącego gazu jest kilkakrotnie większa niż całkowita masa wszystkich gwiazd w setkach galaktyk, które zazwyczaj znajdują się w gromadach galaktyk.

Calzadilla wraz z zespołem naukowców zbadał najjaśniejszą i najbardziej masywną klasę galaktyk we Wszechświecie, zwaną najjaśniejszymi galaktykami gromadowymi. Wybrane gromady galaktyk są próbką, z 95 najbardziej masywnych gromad uchwyconych przy użyciu South Pole Telescope (SPT), znajdują się w odległości od 3,4 do 9,9 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.

Astronomowie odkryli, że formowanie się gwiazd w badanych galaktykach rozpoczyna się, gdy ilość nieuporządkowanego ruchu w gorącym gazie (zjawisko fizyczne zwane „entropią”) – spada poniżej progu krytycznego. Poniżej tego progu gorący gaz nieuchronnie ochładza się, tworząc nowe gwiazdy.

To badanie było pierwszym, które łączyło obserwacje rentgenowskie i optyczne centrów gromad w tak dużym zakresie odległości od Ziemi. Pozwoliło to astronomom połączyć paliwo wymagane do formowania się gwiazd – gorący gaz wykryty przez Chandrę – z faktycznym formowaniem się tych obiektów po ochłodzeniu się gazu, co widać za pomocą teleskopów optycznych, a miało to miejsce przez większość historii Wszechświata.

Naukowcy wykorzystali również radioteleskopy do badania strumieni materii wylatujących z supermasywnych czarnych dziur w tych gromadach. W procesie zwanym „sprzężeniem zwrotnym”, gdy gorący gaz, który ochładza się, tworząc gwiazdy, ostatecznie zasila czarne dziury, powodując powstawanie dżetów i innych aktywności, które ogrzewają i energetyzują ich otoczenie, tymczasowo zapobiegając dalszemu chłodzeniu. Gdy czarnej dziurze kończy się paliwo, dysze wyłączają się i proces rozpoczyna się od nowa.

„To tak, jakbyśmy zebrali różne rozdziały książki o formowaniu się gwiazd przez większość czasu istnienia wszechświata. Zamiast pisać słowami, ta historia jest opowiedziana w świetle rentgenowskim, optycznym i radiowym” – mówi współautor badania Brad Benson z University of Chicago i Fermilab w Illinois.

Zdaniem naukowców, nieoczekiwanym aspektem tego badania jest to, że wcześniejsze prace sugerowały, że inne czynniki poza chłodzeniem gorącego gazu mogły odgrywać większą rolę w tworzeniu się gwiazd w odległej przeszłości. Dziesięć miliardów lat temu, w okresie nazywanym przez astronomów „kosmicznym południem”, zderzenia i fuzje galaktyk w gromadach były znacznie częstsze, tempo formowania się gwiazd było znacznie wyższe, a supermasywne czarne dziury wciągały materiał znacznie szybciej.

„Rodzaj formowania się gwiazd, który obserwujemy, jest niezwykle spójny, nawet w czasie kosmicznego południa, kiedy mógł zostać przytłoczony przez inne procesy. Chociaż wszechświat wyglądał wtedy zupełnie inaczej, to czynnik wyzwalający powstawanie gwiazd w tych galaktykach pozostawałby taki sam” – tłumaczy Lindsey Bleem z Argonne National Laboratory w Illinois.

Badanie przeprowadzone przez zespół Calzadilli wykazało, że próg entropii dla sprzężenia zwrotnego nie ma zastosowania do galaktyk w bardziej odległych gromadach, co może oznaczać, że gromady sprzed około dziesięciu miliardów lat nie są tak dobrze regulowane przez sprzężenie zwrotne z czarną dziurą, jak wcześniej myśleli naukowcy. Jest to bardziej prawdopodobne, ponieważ potrzeba czasu, aby gorący gaz zaczął się ochładzać w galaktyce centralnej i jeszcze więcej, aby ten chłodny gaz dotarł do supermasywnej czarnej dziury w galaktyce centralnej, a następnie, aby utworzyły się dżety i zapobiegły dalszemu ochładzaniu się gazu. Badanie to jest odpowiedzią na to jak we Wszechświecie powstają gwiazdy.

Emil Gołoś