Астрономи завершили найбільше та найдокладніше дослідження того, що спричиняє утворення зір у найбільших галактиках Всесвіту. Його виконано за допомогою рентгенівської обсерваторії Chandra («Чандра») NASA та інших телескопів. Науковці були здивовані, виявивши, що умови для зародження зір у цих надзвичайно масивних галактиках не змінилися протягом останніх десяти мільярдів років.
«Що тут дивно, так це те, що є багато речей, які могли вплинути на формування зір за останні десять мільярдів років», — сказав Майкл Кальзаділла (Michael Calzadilla) з Массачусетського технологічного інституту (Massachusetts Institute of Technology, MIT), який керував дослідженням. «Однак, зрештою, основний рушійний фактор утворення зір у цих величезних галактиках насправді зводиться до одного — чи може гарячий газ, який їх оточує, достатньо швидко охолонути».
Скупчення галактик є найбільшими об’єктами у Всесвіті. Їх разом утримує сила тяжіння і вони містять величезну кількість гарячого газу, який можна побачити в рентгенівських променях. Маса цього гарячого газу в кілька разів перевищує загальну масу всіх зір у сотнях галактик, які зазвичай належать до скупчень галактик.
Кальзаділла та його колеги досліджували найяскравіший і наймасивніший клас галактик у Всесвіті (їх називають найяскравішими скупченнями галактик), що лежать у центрі 95 скупчень галактик. Обрані для вивчення скупчення галактик самі собою є надзвичайною вибіркою — наймасивнішими скупченнями у великому дослідженні, виконаному за допомогою телескопа Південного полюса (South Pole Telescope, SPT) — і розташовані на відстані від 3,4 до 9,9 мільярдів світлових років від Землі.
Науковці виявили, що зореутворення в галактиках, які вони вивчали, починається, коли кількість не впорядкованого руху в гарячому газі — фізичне поняття, що називається «ентропією», — падає нижче критичного порогу. Нижче цього порогу гарячий газ неминуче охолоджується, утворюючи нові зорі.
«Вражає думка, що одне число вказує нам на природу формування мільярдів зір і планет у цих величезних галактиках за десять мільярдів років», — сказав співавтор дослідження Майкл Макдональд (Michael McDonald), також з MIT.
Хоча були інші спроби ідентифікувати рушії утворення зір у таких величезних галактиках протягом космічного часу, це дослідження є першим, що поєднує рентгенівські та оптичні спостереження центрів скупчень на такому великому діапазоні відстаней. Це дає змогу дослідникам пов’язати матерію, потрібну для утворення зір — гарячий газ, виявлений за допомогою Chandra, — з фактичним процесом утворення зір після охолодження газу. Його видно за допомогою оптичних телескопів протягом більшої частини історії Всесвіту.
Наукова група також використовувала радіотелескопи для вивчення струменів речовини, що вилітають із околиць надмасивних чорних дір у цих скупченнях. У процесі, що називається «зворотним зв’язком», гарячий газ, який охолоджується і з якого утворюються зорі, також живить чорні діри. Це спричиняє появу струменів та іншої активності, внаслідок чого газ навколо чорної діри нагрівається, а тому тимчасово його охолодження припиняється. Коли чорна діра поглине все довкола, струмені зникають, і процес починається знову.
«Ми ніби зібрали різні розділи для книги про утворення зір протягом більшої частини життя Всесвіту», — сказав співавтор дослідження Бред Бенсон (Brad Benson) з Чиказького університету та Фермілаб в Іллінойсі. «Але замість слів, цю історію розповідаємо в рентгенівському, оптичному та радіосвітлі».
Несподіваним аспектом цього дослідження є те, що попередні роботи припускали: інші фактори, крім охолодження гарячого газу, могли відігравати більшу роль в утворенні зір у далекому минулому. Десять мільярдів років тому, у період, який астрономи називають «космічним полуднем», зіткнення та злиття галактик у скупчення були значно поширенішим явищем. Темп утворення зір, переважно, був набагато вищим, а надмасивні чорні діри в галактиках поглинали речовину набагато швидше.
«Тип зореутворення, який ми спостерігаємо, надзвичайно постійний, навіть в епоху близьку до космічного полудня, коли на процес утворення зір могли впливати інші чинники», — сказала співавтор дослідження Ліндсі Блім (Lindsey Bleem) з Арґонської національної лабораторії в Іллінойсі. «Хоча Всесвіт тоді був зовсім іншим, триґер формування зір у галактиках був той самий».
У попередніх дослідженнях відносно близьких скупчень галактик також було виявлено, що для виникнення зворотного зв’язку від надмасивних чорних дір у формі струменів потрібен пороговий рівень хаосу в гарячому газі.
Дослідження, виконане групою Кальзаділли, виявило: поріг ентропії для зворотного зв’язку, однак, не можна застосувати до галактик у віддаленіших скупченнях. Це може означати, що скупчення в давнину (близько десяти мільярдів років тому) не так добре піддавалися регулюванню зворотним зв’язком чорної діри. Це правдоподібно, бо потрібен час, щоб гарячий газ почав охолоджуватися й накопичуватися до центральної галактики. А далі ще більше часу, щоб він пройшов шлях до надмасивної чорної діри центральної галактики, і потім, нарешті, для формування струменів і запобігання подальшому охолодженню газу.
Однак також можливо, що радіосигнали не дають чіткої інформації про активність струмені в цей ранній час.
Результат дослідження заснований на рентгенівських даних від обсерваторії «Чандра» NASA; радіоданних від SPT, телескопа Australia Telescope Compact Array і австралійського телескопа SKA Pathfinder; інфрачервоних даних від супутника NASA WISE і даних від кількох оптичних телескопів. Серед них: 6,5-метровий телескоп Магеллана, телескоп «Близнюк-Північ», 4-метровий телескоп Вітора Бланко (DECam, MOSAIC-II) і 1-метровий телескоп Своуп. Щоб отримати цей результат, обсерваторія «Чандра» виконувала спостереження майже 50 днів.
Кальдазілла представив результати дослідження на 243 з’їзді Американського астрономічного товариства в Новому Орлеані. Крім того, він є першим автором статті, поданої в Astrophysical Journal про цю роботу, яка доступна на сервері arXiv.
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
