Авторы и права: Рентген: НАСА/CXC/SAO; Оптический: НАСА/ЕКА/STScI; IR: НАСА/ЕКА/CSA/STScI/Милисавлевич и др., НАСА/Лаборатория реактивного движения/Калифорнийский технологический институт; Обработка изображений: NASA/CXC/SAO/J. Шмидт и К. Аркан
Астрономы завершили самое масштабное и детальное исследование того, что вызывает образование звезд в крупнейших галактиках Вселенной, используя рентгеновскую обсерваторию НАСА «Чандра» и другие телескопы. Они были удивлены, обнаружив, что условия зарождения звезд в этих исключительно массивных галактиках не изменились за последние десять миллиардов лет.
«Что здесь удивительно, так это то, что существует множество вещей, которые могли повлиять на звездообразование за последние десять миллиардов лет», — сказал Майкл Кальзадилла из Массачусетского технологического института (MIT), который руководил исследованием. «Однако, в конечном итоге, главная движущая сила звездообразования в этих огромных галактиках на самом деле сводится к одному — сможет ли окружающий их горячий газ остыть достаточно быстро».
Скопления галактик — крупнейшие объекты во Вселенной, удерживаемые вместе под действием гравитации, и содержат огромное количество горячего газа, видимого в рентгеновских лучах. Масса этого горячего газа в несколько раз превышает общую массу всех звезд во всех сотнях галактик, обычно встречающихся в скоплениях галактик.
Кальсадилья и его коллеги изучали самый яркий и массивный класс галактик во Вселенной, называемый ярчайшими скоплениями галактик, в центрах 95 скоплений галактик. Выбранные скопления галактик сами по себе представляют собой крайнюю выборку — самые массивные скопления в большом обзоре с использованием телескопа Южного полюса (SPT) — и расположены на расстоянии от 3,4 до 9,9 миллиардов световых лет от Земли.
Команда обнаружила, что звездообразование в изученных ими галактиках запускается, когда количество неупорядоченного движения в горячем газе (физическое понятие, называемое «энтропия») падает ниже критического порога. Ниже этого порога горячий газ неизбежно охлаждается, образуя новые звезды.
«Впечатляет мысль о том, что одно число говорит нам, сформировались ли миллиарды звезд и планет в этих огромных галактиках за десять миллиардов лет назад», — сказал соавтор Майкл Макдональд, также из Массачусетского технологического института.
Хотя были предприняты и другие попытки определить движущие силы звездообразования в таких огромных галактиках за космическое время, этот обзор является первым, в котором сочетаются рентгеновские и оптические наблюдения центров скоплений в таком большом диапазоне расстояний. Это позволяет исследователям связать топливо, необходимое для образования звезд, — горячий газ, обнаруженный с помощью «Чандры», — с фактическим образованием звезд после остывания газа, как это видно с помощью оптических телескопов, на протяжении большей части истории Вселенной.
Команда также использовала радиотелескопы для изучения струй материала, вылетающих из сверхмассивных черных дыр в этих скоплениях. В процессе, называемом «обратной связью», горячий газ, который охлаждается с образованием звезд, в конечном итоге питает черные дыры, в результате чего возникают струи и другая активность, которая нагревает и наполняет энергией окружающую среду, временно предотвращая дальнейшее охлаждение. Когда у черной дыры заканчивается топливо, струи гаснут, и процесс начинается снова.
«Это как если бы мы собрали разные главы для книги звездообразования на протяжении большей части существования Вселенной», — сказал соавтор Брэд Бенсон из Чикагского университета и лаборатории Фермилаб в Иллинойсе. «Вместо того, чтобы быть написанной словами, эта история рассказана в рентгеновском, оптическом и радиосвете».
Неожиданным аспектом этого исследования является то, что предыдущие работы предполагали, что другие факторы, помимо охлаждения горячего газа, могли играть большую роль в звездообразовании в далеком прошлом. Десять миллиардов лет назад, в период, который астрономы называют «космическим полуднем», столкновения и слияния галактик в скоплениях были гораздо более частыми, темпы звездообразования в целом были намного выше, а сверхмассивные черные дыры галактики поглощали материал гораздо быстрее.
«Тип звездообразования, который мы наблюдаем, удивительно постоянен, даже приближаясь к космическому полудню, когда он мог быть подавлен другими процессами», — сказал соавтор Линдси Блим из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе. «Хотя тогда Вселенная выглядела совсем по-другому, спускового крючка для образования звезд в этих галактиках нет».
Изучая относительно близкие скопления, предыдущие исследователи также обнаружили пороговый уровень беспорядка в горячем газе, необходимый для возникновения обратной связи от сверхмассивных черных дыр в форме джетов.
Новое исследование команды Кальсадиллы показало, что энтропийный порог обратной связи, однако, не применим к галактикам в более отдаленных скоплениях, а это может означать, что скопления около десяти миллиардов лет назад не так хорошо регулируются обратной связью черных дыр. Это вполне правдоподобно, поскольку требуется время, чтобы горячий газ начал охлаждаться в центральной галактике, затем еще больше времени требуется, чтобы этот холодный газ пробился к сверхмассивной черной дыре центральной галактики, а затем, наконец, чтобы сформировались и предотвратили образование джетов. дальнейшее охлаждение газа.
Однако также возможно, что радиосигналы не дают четкого указания на активность реактивных самолетов в такое раннее время.
Этот результат основан на рентгеновских данных рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра»; радиоданные от SPT, Австралийского телескопа Compact Array и австралийского телескопа SKA Pathfinder; инфракрасные данные со спутника НАСА WISE; и несколько оптических телескопов. Здесь используются оптические телескопы: 6,5-метровый телескоп Магеллан, Южный телескоп Джемини, 4-метровый телескоп Бланко (DECam, MOSAIC-II) и 1-метровый телескоп Своп. Для получения этого результата было использовано в общей сложности почти 50 дней наблюдений Чандры.
Калдазилла представил эти результаты на 243-м собрании Американского астрономического общества в Новом Орлеане. Кроме того, он является первым автором статьи об этой работе, представленной в Astrophysical Journal, которая доступна на сервере препринтов arXiv.
Информация от: рентгеновским центром Чандра.
