Webb i Hubble: jak najsilniejsze gromady gwiazd błyskawicznie przepalają swoje żłobki
Gromady gwiazd pod lupą dwóch kosmicznych teleskopów
Astronomowie wykorzystali jednocześnie Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i Hubble’a, aby zajrzeć w tysiące młodych gromad gwiazd w czterech pobliskich galaktykach spiralnych: M51, M83, NGC 628 i NGC 4449.
Nowa analiza pokazuje, że im masywniejsza jest gromada, tym szybciej wydmuchuje gaz, z którego się urodziła, odsłaniając młode gwiazdy i zalewając galaktykę promieniowaniem ultrafioletowym.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Astronomy i stanowią jedno z najdokładniejszych badań wczesnych faz życia gromad gwiazdowych w galaktykach.
Co właściwie badano?
Gromady gwiazd to naturalne inkubatory gwiazd – miejsca, w których z zapadających się obłoków gazu i pyłu rodzą się dziesiątki tysięcy młodych słońc naraz.
Na samym początku większość tych gwiazd jest ukryta w gęstych, zakurzonych obłokach, które dobrze widać w podczerwieni, ale słabo w świetle widzialnym.
Z czasem silne promieniowanie, wiatry gwiazdowe i wybuchy supernowych zaczynają rozrywać otaczający gaz – gromada stopniowo wynurza się z kokonu, a jej światło może swobodnie uciekać w przestrzeń.
Aby uchwycić ten proces w różnych fazach, międzynarodowy zespół skorzystał z programu obserwacyjnego FEAST (Feedback in Emerging extrAgalactic Star clusTers), w ramach którego Webba skierowano na rozległe obszary gwiazdotwórcze we wspomnianych czterech galaktykach.
Webb obserwował je w bliskiej i średniej podczerwieni, Hubble – w świetle widzialnym i ultrafiolecie, co pozwoliło połączyć informację o młodych, wciąż zasłoniętych gwiazdach z obrazem już odgazowanych gromad.
Dziewięć tysięcy gromad i wyścig z czasem
Na obrazach Webba i Hubble’a astronomowie zidentyfikowali około 9 tysięcy młodych gromad gwiazd znajdujących się na różnych etapach wyłaniania się z obłoków gazu.
Część z nich była wciąż głęboko zanurzona w gazie, inne częściowo oczyściły już swoje otoczenie, a jeszcze inne były całkowicie odsłonięte w świetle widzialnym.
Na podstawie barw i widm gromad badacze oszacowali ich masy i wiek, a także to, ile gazu wciąż zalega w ich sąsiedztwie.
Kluczowy wynik jest zaskakująco klarowny: najbardziej masywne gromady – zawierające nawet setki tysięcy gwiazd – całkowicie rozprawiają się z otaczającym je gazem w czasie około 5 milionów lat.
Mniej masywne gromady potrzebują na to znacznie dłużej, typowo 7–8 milionów lat, zanim ich gwiezdny żłobek zostanie w pełni posprzątany.
To znaczy, że to właśnie najbardziej masywne gromady najszybciej zaczynają efektywnie oświetlać swoją galaktykę i oddziaływać na otaczający gaz.
Dlaczego masywne gromady są tak skuteczne?
W masywnych gromadach rodzi się wyjątkowo dużo masywnych, bardzo gorących gwiazd typu O i B, które produkują ogromne ilości wysokoenergetycznego promieniowania UV.
Takie gwiazdy mają też potężne wiatry gwiazdowe – strumienie naładowanych cząstek – oraz szybko kończą życie jako supernowe, dodatkowo wstrząsając otaczający gaz.
Wszystkie te procesy razem – promieniowanie, wiatry i wybuchy – tworzą silne sprzężenie zwrotne (feedback), które bardzo skutecznie wypycha gaz z otoczenia gromady.
Analiza pokazuje, że tam, gdzie gromada jest masywniejsza, ten feedback działa intensywniej, przez co kokon gazowy rozpada się wcześniej.
To z kolei oznacza, że duża część promieniowania może szybciej wydostać się poza najbliższe otoczenie i trafić do reszty galaktyki, podświetlając ramiona spiralne i jonizując rozległe obszary gazu międzygwiazdowego.
Co to mówi o formowaniu gwiazd i planet?
Badanie sugeruje, że masywne gromady powstają w szczególnie gęstych rejonach galaktyk, gdzie gaz jest wyjątkowo efektywny w tworzeniu nowych gwiazd.
Tam, gdzie formują się słabsze, mniej masywne gromady, gęstość gazu jest najpewniej mniejsza, a proces sprzątania trwa dłużej.
To zróżnicowanie ma konsekwencje nie tylko dla samego tempa powstawania gwiazd, ale też dla tego, gdzie w galaktyce mogą stabilnie istnieć dyski protoplanetarne.
Silne promieniowanie UV i gwałtowne wiatry z masywnych gromad mogą szybciej niszczyć lub zubażać dyski gazowo‑pyłowe wokół młodych gwiazd, co może utrudniać formowanie się planet w ich najbliższym otoczeniu.
Z kolei w spokojniejszych regionach, gdzie dominują mniejsze gromady i słabszy feedback, dyski protoplanetarne mogą przetrwać dłużej, dając więcej czasu na powstanie planet skalistych i gazowych olbrzymów.
Od sąsiednich galaktyk do wczesnego Wszechświata
Choć badane galaktyki – M51, M83, NGC 628 i NGC 4449 – są stosunkowo bliskie, uzyskane wnioski są ważne także dla zrozumienia odległych, młodych galaktyk obserwowanych przez Webba w bardzo wczesnym Wszechświecie.
Tam również widzimy niezwykle jasne, zwarte skupiska gwiazd, które mogą być przodkami dzisiejszych gromad kulistych – a ich feedback mógł odegrać dużą rolę w rejonizacji kosmicznego gazu.
Nowe wyniki z programu FEAST dostarczają więc lokalnego laboratorium, w którym możemy szczegółowo prześledzić procesy, które miliardy lat temu zachodziły na dużo większą skalę.
Kolejne obserwacje Webba – zarówno w tych samych galaktykach, jak i w nowych, bardziej odległych – powinny pomóc doprecyzować, jak często powstają bardzo masywne gromady i jak dokładnie zmieniają one środowisko galaktyczne w czasie.
To z kolei przełoży się na lepsze modele ewolucji galaktyk, tempa formowania gwiazd oraz rozkładu materii w skali całego Wszechświata.
Źródła
Główne źródło:
Źródła kontekstowe:
- Phys.org: Webb and Hubble find massive star clusters emerge faster,
- EurekAlert: When the clouds clear – the emergence of young star clusters,
- A. Pedrini et al., The emerging timescale of young star clusters regulated by cluster stellar mass.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
