Astronomit havainnoivat näiden sfääristen muotojen muodostumista 🔭

Tukeutuen teknisiin ja havainnollisiin edistysaskeliin, kansainvälinen tiimi, jota johtavat IRFU:n (CEA Paris-Saclay) astrofysiikan osaston tutkijat, on selvittänyt spheroidien muodostumisen mysteerin, joita löytyy spiraaligalaksien ytimistä ja suurista elliptisistä galakseista.

Nämä rakenteet, joita on pitkään pidetty pääasiassa myöhäisten galaksiyhdistymien tuotteina kosmisen historian aikana, voisivat myös muodostua suoraan kaukaisessa universumissa. Niiden pallomainen muoto johtuu intensiivisestä tähtien muodostumisesta, jota aiheuttaa dynaaminen prosessi, joka yhdistää kylmän kaasun akreetion ja galaksien väliset vuorovaikutukset.


Nämä havainnot edustavat merkittävää edistystä ymmärryksessämme galaksien evoluutiosta, vaikuttaen nykyisiin malleihin, jotka hyötyvät myös korkearesoluutioisista havainnoista uusimman sukupolven teleskooppien (JWST, Euclid jne.) avulla.

Tämä tutkimus esiteltiin artikkelissa, jonka otsikko on "In situ spheroid formation in distant submillimetre-bright Galaxies", julkaistu lehdessä Nature.

Teknisten ja havainnollisten rajojen poistaminen

Universumin galaksit jaotellaan kahteen pääasialliseen morfologiseen luokkaan. Toisaalta ovat spiraaligalaksit, jotka ovat levyjen muotoisia, kuten meidän Linnunratamme. Ne ovat nuoria, kaasurikkaita ja jatkavat tähtien muodostamista. Toisaalta ovat spheroidiset galaksit, joihin kuuluvat elliptiset galaksit ja spiraaligalaksien ytimät. Ne ovat kaasuttomia, koostuvat erittäin vanhoista tähdistä eivätkä käytännössä muodosta enää tähtiä; ne ovat kuin "kuolleita". Vaikka spiraaligalaksien muodostuminen on ehkä paremmin ymmärretty, spheroidisten galaksien muodostuminen on pysynyt mysteerinä tähän asti, huolimatta useista teorioista, jotka ovat jääneet rajoitetuiksi aiempien havainnollisten ja teknisten keinojemme vuoksi.

Ymmärtääksemme näiden spheroidien muodostumista, meidän on palattava niiden koostumukseen kuuluvien tähtien syntyyn, aina "kosmisen keskipäivän" aikakauteen, jolloin universumi oli 1,6–4,3 miljardia vuotta vanha. Tuolloin monet galaksit muodostivat aktiivisesti tähtiä ja olivat rikkaita pölyssä ja kaasussa, mikä teki niistä läpinäkymättömiä näkyvän spektrin alueella, mutta äärimmäisen kirkkaita millimetrin ja submillimetrin aallonpituuksilla. Atacama Large Millimeter/submillimeter Arrayn (ALMA) saapuminen, joka pystyy havainnoimaan tällä spektrin alueella, avasi mahdollisuuden tutkia galaksien ytimien rakennetta. Nämä havainnot täydentävät voimakkaan James Webb -avaruusteleskoopin (JWST) infrapuna-näkemystä, joka tarjoaa kokonaiskuvan galakseista (ks. Kuva 1).


Tämä tutkimus on myös ollut mahdollista merkittävän teknisen edistyksen ansiosta. Aiemmassa julkaisussa (Tan et al. 2024, A&A) tutkijat kehittivät uuden menetelmän, jolla voidaan sovittaa pintavalotuksen profiileja interferometrisiin havaintoihin, kuten ALMA:n tuottamiin. Ennen tätä innovaatiota tietojen kerääminen näistä havainnoista oli monimutkaista, ja olemassa olevat menetelmät toivat liikaa vinoumaa, mikä vaikeutti syvällistä analyysiä spheroidisista järjestelmistä.

Uudet näkökulmat suurten elliptisten galaksien muodostumiseen varhaisessa universumissa

Tämä tutkimus perustuu ALMA:n vuosien varrella keräämiin havaintoihin eri projekteista. A3COSMOS- ja A3GOODS-arkistoprojektien ansiosta tutkijat pystyivät kokoamaan yli sadan intensiivisesti tähtien muodostamisen galaksin näytteen, jotka ovat erittäin kirkkaita submillimetrialueella ja joilla on korkea signaali/kohina-suhde (S/B > 50). Nämä galaksit ovat peräisin varhaisesta universumista, joka oli vain 1,6–4,3 miljardia vuotta vanha (punasiirtymä z = 1,5–4). Tällaisen tietomäärän hankkiminen olisi ollut mahdotonta perinteisen havaintoaikapyyntömenettelyn puitteissa, mikä korostaa arkistojen hyödyntämisen merkitystä tällaisissa laajoissa tutkimuksissa.

Ensimmäinen havainto koskee submillimetrisiä komponentteja näiden galaksien keskuksissa, jotka vastaavat tähtien muodostuspaikkoja. Tutkimus osoittaa, että useimpien näiden galaksien keskukset ovat sisäisesti pallomaisia, eivät levyjen muotoisia kuten aiemmin on ajateltu. Itse asiassa tutkijat havaitsivat, että näiden galaksien submillimetrinen säteily on erittäin tiivistä, ja pintavalotuksen profiilit poikkeavat merkittävästi levyille tyypillisistä. Tämä johtopäätös vahvistuu yksityiskohtaisilla 3D-geometrian mallinnuksilla, jotka osoittavat, että lyhyimpien ja pisimpien akselien suhde on keskimäärin puoli, ja se kasvaa tilan tiiviyden myötä (ks. Kuva 2).

Toinen tämän tutkimuksen paljastus koskee spheroidisten galaksien muodostumismekanismia. On pitkään ajateltu, että spheroidit muodostuvat myöhään universumin historiassa pääasiassa coalescenssin kautta, eli kahden galaksin sulautuessa yhteen törmäyksen jälkeen. Kuitenkin tämä tutkimus tuo esiin uuden näkökulman: on havaittu spheroidien muodostuvan suoraan tähtien räjähdyksistä, todennäköisesti kylmän kaasun akreetion ja galaksien välisen vuorovaikutuksen samanaikaisen toiminnan seurauksena, ilman sulautumista. Nämä prosessit johtavat intensiiviseen tähtien muodostumiseen, joka keskittyy näiden galaksien kolmiulotteisiin ytimeen, ja tämä tapahtuu jo varhaisimmissa kosmisen historian aikakausissa.

Mahdollinen pääsy suurten elliptisten galaksien syntypaikkoihin

Tämä tutkimus on antanut ensimmäiset vahvat havainnolliset todisteet siitä, että spheroidit voivat muodostua suoraan intensiivisen tähtien muodostamisen kautta, jota ruokkii kylmän kaasun akreetio ja samanaikaiset galaksien väliset vuorovaikutukset galaksien ytimissä. Tämä prosessi, joka vaikuttaa olevan erittäin yleinen kaukaisessa universumissa, merkitsee käännekohtaa ymmärryksessämme spiraaligalaksien ytimien ja mahdollisesti myös suurten elliptisten galaksien, kuten Neitsyen tähdistössä sijaitsevan M87:n, muodostumisesta, joiden syntypaikkoja on etsitty vuosikymmeniä.


Uudet ALMA-havainnot, joilla on parempi resoluutio ja herkkyys, yhdistettynä arkistotietoihin, mahdollistavat kylmän kaasun jakautumisen ja kineettisen energian tutkimisen — tähtien muodostamisen raaka-aineen — näissä galakseissa tilastollisten tutkimusten avulla. Lisäksi JWST:n, Euclidin ja Kiinan avaruusasemalla sijaitsevan CSST:n teleskooppien kyvyt kartoittaa galaksien tähtikomponentteja täydentävät tätä lähestymistapaa, tarjoten kattavamman näkemyksen niiden evoluutiosta (ks. Kuva 3). Yhdessä nämä työkalut lupaavat mullistaa ymmärryksemme galaksien muodostumisesta varhaisessa universumissa.