Młode gwiazdy, które rzeźbią całe galaktyki. Co pokazują ALMA, Hubble i Webb?

Nowe spojrzenie na gwiezdne żłobki

Międzynarodowy zespół astronomów przeanalizował około 18 tysięcy obszarów gwiazdotwórczych w pobliskich galaktykach spiralnych, łącząc dane z radioteleskopu ALMA, Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i Teleskopu Jamesa Webba w ramach programu PHANGS. Wyniki, ogłoszone na konferencji Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego (AAS 248), pokazują, jak młode gwiazdy przepychają gaz wokół siebie i w praktyce decydują o dalszych losach swoich galaktyk. To jedno z najbardziej kompleksowych badań tzw. sprzężenia zwrotnego gwiazdowego w normalnych i skrajnie aktywnych galaktykach.

Kolorowe, wysokorozdzielcze zdjęcie galaktyki NGC 3256 pokazujące jej zniekształconą strukturę po zderzeniu, z licznymi obszarami gwiazdotwórczymi świecącymi na czerwono i pomarańczowo (pył i gaz podgrzany przez młode gwiazdy). Źródło: ESA/Hubble, NASA

Obserwacje pochodzą z dużego międzynarodowego konsorcjum PHANGS (Physics at High Angular resolution in Nearby GalaxieS), które buduje wspólną bazę danych z HST, JWST, ALMA, VLT/MUSE i naziemnych teleskopów Hα dla dziesiątek pobliskich galaktyk spiralnych. Dzięki rozdzielczości rzędu kilkudziesięciu lat świetlnych można śledzić pojedyncze kompleksy gwiazdotwórcze – gwiezdne żłobki, w których gęsty gaz zapada się, tworząc nowe gwiazdy.

Czym jest gwiezdne sprzężenie zwrotne?

Gdy w takim obszarze rodzą się masywne, gorące gwiazdy, zaczynają emitować intensywne promieniowanie ultrafioletowe, które jonizuje otaczający gaz i podgrzewa go do dziesiątek tysięcy kelwinów. Powstaje pęcherz zjonizowanego gazu o wysokim ciśnieniu, który rozszerza się w otaczający, chłodniejszy ośrodek– to właśnie jeden z przejawów sprzężenia zwrotnego gwiazdowego. Do tego dochodzą silne wiatry gwiazdowe i – na późniejszym etapie – wybuchy supernowych, które mogą całkowicie wydmuchać gaz z regionu.

Te procesy nie są jedynie lokalnymi fajerwerkami – w modelach ewolucji galaktyk to sprzężenie zwrotne reguluje tempo powstawania gwiazd, podtrzymuje turbulencje w ośrodku międzygwiazdowym i może wyrzucać gaz w rozległe wypływy. Bez sprzężenia zwrotnego galaktyka zbyt szybko zużyłaby zapasy gazu, zamieniając go niemal w 100% w gwiazdy w krótkim czasie kosmologicznym.

Jak badano 18 tysięcy regionów gwiazdotwórczych?

W nowej pracy wykorzystano unikatowe połączenie trzech typów danych: ALMA mapuje zimny gaz molekularny – bezpośrednie paliwo do powstawania gwiazd, Hubble i Webb pokazują młode gromady gwiazd i rozgrzany pył, a obserwacje w Hα śledzą gaz zjonizowany przez najgorętsze gwiazdy. W sumie przeanalizowano około 18 tysięcy obszarów gwiazdotwórczych w szeregu pobliskich galaktyk, reprezentujących typowe galaktyki spiralne podobne do Drogi Mlecznej.

Zespół zmierzył ciśnienie w zjonizowanym gazie i porównał je z własnościami otaczającego gazu molekularnego oraz strukturą galaktyk. Okazało się, że w większości normalnych galaktyk to właśnie ciśnienie gazu jonizowanego, napędzanego przez młode gwiazdy, jest główną siłą rozszerzającą regiony gwiazdotwórcze. Czy obszar dalej rośnie, czy gaśnie, zależy jednak silnie od tego, jak gęsty i uporządkowany jest gaz wokół – innymi słowy, od środowiska w skali całej galaktyki.

Spokojne spirale kontra kosmiczny zderzak NGC 3256

Aby zbadać zachowanie sprzężenia zwrotnego w ekstremalnych warunkach, astronomowie porównali zwykłe galaktyki spiralne z galaktyką NGC 3256 – spektakularnym zderzeniem dwóch masywnych galaktyk, położonym około 100 milionów lat świetlnych od nas w konstelacji Żagla. NGC 3256 to klasyczna galaktyka z silnym procesem gwiazdotwórczym, w której gęsty gaz jest kompresowany przez zderzenie, a tempo powstawania gwiazd jest wielokrotnie wyższe niż w Drodze Mlecznej.

Analiza pokazała, że ciśnienia sprzężenia zwrotnego w NGC 3256 są aż około 100 razy wyższe niż w spokojniejszych galaktykach, prowadząc do skrajnie turbulentnego, burzliwego środowiska. W takiej galaktyce młode gwiazdy mogą bardzo szybko zniszczyć swoje macierzyste obłoki, ale jednocześnie wypychane fale uderzeniowe kompresują gaz w innych miejscach, inicjując kolejne epizody formowania gwiazd.

Co nowego wnoszą dane z Webba i ALMA?

Teleskop Jamesa Webba wnosi tutaj przede wszystkim wysokorozdzielcze obrazowanie w podczerwieni, pozwalające zajrzeć przez warstwy pyłu, które zasłaniają najmłodsze gromady gwiazd w świetle widzialnym. ALMA z kolei mierzy rozkład zimnej materii – molekularnego wodoru śledzonego przez linie CO – i tym samym pokazuje, gdzie znajduje się surowiec do kolejnych pokoleń gwiazd. Połączenie tych danych z klasycznymi obrazami Hubble’a tworzy kompletny obraz cyklu życia gazu i gwiazd w skali całych dysków galaktycznych.

Tak kalibrowane obserwacjami modele można później stosować do interpretacji odległych, młodych galaktyk badanych przez ALMA i Webba w czasie, gdy Wszechświat miał zaledwie około miliarda lat. Pozwala to lepiej zrozumieć, w jaki sposób sprzężenie zwrotne ogranicza lub przyspiesza wzrost galaktyk na różnych etapach historii kosmicznej.

Dlaczego to ważne dla ewolucji galaktyk?

Nowe wyniki dostarczają bezpośrednich pomiarów warunków fizycznych w regionach gwiazdotwórczych jeszcze zanim pojawią się supernowe – a więc w fazie, którą modele zwykle musiały zgadywać. To z kolei pozwala lepiej zasymulować, ile gazu zostanie zużyte na gwiazdy, ile zostanie z powrotem wydmuchane do halo galaktyki i jak szybko galaktyka będzie ewoluować od fazy intensywnej aktywności do spokojniejszego, emerytalnego etapu.

Z perspektywy dużej skali oznacza to krok w stronę bardziej realistycznych modeli formowania struktur we Wszechświecie – od pojedynczych gromad gwiazd, przez dyski galaktyk spiralnych, aż po rozległe gromady galaktyk. Nowe pomiary ze współpracy PHANGS stają się istotnym punktem odniesienia dla przyszłych badań, w tym dla obserwacji kolejnych galaktyk Webbem oraz dalszych kampanii ALMA.

Źródła

Główne źródło:

NSF NRAO / ALMA – komunikat Young Stars Shape the Fate of Galaxies,

Źródła kontekstowe:

Opracowanie: Agnieszka Nowak

Postaw mi kawę ☕