Co zabiło olbrzymie galaktyki we Wszechświecie?
Korzystając z potężnych teleskopów naukowcy badają, jak odległe galaktyki powstają, ewoluują i umierają.
 |
| Galaktyki Czułki – przykład intensywnej burzy gwiazdowej w wyniku kolizji dwóch galaktyk NGC 4038 i NGC 4039. Źródło: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboratio |
Formowanie się galaktyk we Wszechświecie powinno przebiegać według dość prostej ścieżki. Zaczyna się od małych galaktyk, które następnie rosną i rosną, aż stają się olbrzymimi galaktykami, które widzimy we współczesnym Wszechświecie, takimi jak nasza Droga Mleczna. Proste, prawda?
Nie jest to jednak do końca prawdą w przypadku szczególnej klasy galaktyk eliptycznych – ogromnych kulistych zbiorowisk gwiazd bez wyraźnej struktury. Teraz zespół naukowców postanowił odkryć pochodzenie tych galaktyk i ujawnić więcej tajemnic Wszechświata.
Aby to zrobić, cofnęli się w czasie, używając potężnych teleskopów, które mogą podążać za światłem do odległych zakątków Wszechświata. Pozwoliło to naukowcom zobaczyć galaktyki takimi, jakie były w przeszłości, nawet miliardy lat temu.
Galaktyki są pocztami sztandarowymi Wszechświata. Są początkiem wszystkiego – powiedział Sune Toft, kosmolog z Instytutu Nielsa Bohra w Danii. Zrozumienie szczegółowych scenariuszy powstawania galaktyk jest jedynym sposobem na zrozumienie początków Wszechświata i tego, skąd pochodzimy.
Toft kierował projektem ConTExt w latach 2015-2021. Jego celem była obserwacja najstarszych galaktyk eliptycznych, sięgających pierwszych 2 miliardów lat z liczącej 13,8 miliarda lat historii Wszechświata.
Podróże w czasie do odległych, ciemnych zakątków: na razie brak odpowiedzi
Chociaż naukowcy uzyskali pewien wgląd w galaktyki eliptyczne, wciąż pozostają one tajemnicą.
Są one znane od wielu lat, ale to swojego rodzaju zagadka, w jaki sposób się formują, ponieważ są jednolicie stare i martwe w lokalnym Wszechświecie – powiedział Toft.
Myśl stojąca za jego badaniami była następująca: gdy spojrzymy dalej w przeszłość, obserwując galaktyki odległe o miliardy lat świetlnych, w pewnym momencie powinniśmy zacząć dostrzegać protoplastów tych galaktyk i być w stanie wyjaśnić, w jaki sposób mogły osiągnąć tak duże rozmiary.
Ale im dalej patrzyliśmy, tym bardziej wyglądały na stare i martwe. Praktycznie nie tworzą się w nich gwiazdy – powiedział Toft, odnosząc się do procesu leżącego u podstaw ewolucji galaktyk.
Oznacza to, że galaktyki musiały rosnąć bardzo szybko we wczesnym Wszechświecie. Nadal jednak nie wiadomo dokładnie, jak i kiedy to nastąpiło.
I jeszcze jedna zagadka: jeżeli galaktyki rosły szybko, dlaczego przestały rosnąć? I co to oznacza dla naszego zrozumienia hierarchicznej struktury galaktyk we Wszechświecie, które obejmuje gwiazdy, układy planetarne, gromady gwiazd i galaktyki?
Małe galaktyki powinny formować się jako pierwsze. Dlaczego więc te masywne galaktyki formują się jako pierwsze? – powiedział Toft.
Formowanie się gwiazd
Jego hipoteza zakładała, że galaktyki te mogły przejść intensywne procesy gwiazdotwórcze na wczesnym etapie swojej historii, stając się tzw. galaktykami gwiazdotwórczymi.
Galaktyki gwiazdotwórcze zawierają niezwykle gęste ilości pyłu i gazu i każdego roku mogą tworzyć gwiazdy o masie tysięcy razy większej niż masa naszego Słońca. Dla porównania, w naszej Drodze Mlecznej powstaje rocznie średnio jedna nowa gwiazda o masie Słońca.
Korzystając z teleskopu Atacama Large Millimeter Array, a także z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i Kosmicznego Teleskopu Spitzera, które w tym czasie krążyły wokół Ziemi, Toft zabrał się do pracy.
Odkrył, że w ciągu pierwszego miliarda do dwóch miliardów lat po Wielkim Wybuchu było wystarczająco dużo galaktyk gwiazdotwórczych, aby przekształcić się w martwe galaktyki. Galaktyki te były gęste i zwarte i wyglądały podobnie do jąder galaktyk eliptycznych, które widzimy dzisiaj.
Toft opierał się na założeniu, że te galaktyki eliptyczne powstały szybko we Wszechświecie, zanim coś przerwało ich procesy gwiazdotwórcze.
Następnie, przez kolejnych około 10 miliardów lat, stopniowo gromadziły więcej gwiazd, pożerając mniejsze galaktyki, dodając swoje gwiazdy do zewnętrznych regionów galaktyki. W ten sposób galaktyki eliptyczne pozostały stare i martwe, ale nadal mogły rosnąć do ogromnych rozmiarów.
Wczesny wzrost galaktyk eliptycznych był prawdopodobnie spowodowany łączeniem się galaktyk, które zapoczątkowało formowanie się gwiazd.
Wciąż jednak nie było jasne, w jaki sposób galaktyki te się wyłączyły. W jaki sposób tak szybko przestały formować gwiazdy i ostatecznie stały się martwymi galaktykami, które widzimy dzisiaj?
Wygaszanie
Sirio Belli, astronom z Uniwersytetu Bolońskiego we Włoszech, bada ten problem w ramach projektu Red Cardinal, który będzie realizowany w latach 2023-2028.
Korzysta z potężnego Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, aby zbadać te wczesne galaktyki jak nigdy dotąd. Pojawiająca się koncepcja zakłada, że czarne dziury znajdujące się w jądrach tych galaktyk są odpowiedzialne za ich ewolucję.
Prawie wszystkie dzisiejsze galaktyki, w tym nasza własne, posiadają w swoim centrum supermasywną czarną dziurę, ogromny obiekt o masie miliony do miliardów razy większej niż masa naszego Słońca. Te czarne dziury napędzają powstawanie i ewolucję galaktyk, wyrzucając gaz i pył w całej historii galaktyki.
Belli odkrył, że te czarne dziury mogą być również odpowiedzialne za zatrzymanie procesów gwiazdotwórczych we wczesnych galaktykach, w procesie określanym jako wygaszanie.
W kwietniu 2024 roku jego zespół wykorzystał JWST, aby zgłosić odkrycie masywnej galaktyki przechodzącej proces wygaszania około 2,6 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. To szczęśliwy zbieg okoliczności, ponieważ zaobserwowaliśmy tę galaktykę dokładnie w momencie wygaszania – powiedział.
Galaktyka wydawała się rosnąć aż do niedawna. Po prostu przestała tworzyć gwiazdy – powiedział Belli.
W tym samym czasie odkryliśmy olbrzymi wiatr wydobywający się z galaktyki. Uważamy, że jest to spowodowane supermasywną czarną dziurą w centrum galaktyki.
Pomysł jest taki, że czarna dziura stała się niezwykle aktywna, co wypchnęło gaz z galaktyki, powiedział Belli. Nie ma więc gazu do tworzenia nowych gwiazd. To jak samochód, w którym skończyło się paliwo.
Nie jest jasne, dlaczego czarna dziura stała się aktywna. Jedną z możliwości jest to, że gdy czarna dziura zje wystarczającą ilość materii i zyska wystarczającą masę, nagle zaczyna uwalniać dużo energii, powodując wygaszanie.
Uważamy, że gdy galaktyki osiągną pewną masę, 100 miliardów mas Słońca, wszystkie one zostaną ostatecznie wygaszone – powiedział Belli. W dzisiejszym Wszechświecie nie widzimy żadnej masywnej galaktyki, która nadal tworzyłaby gwiazdy.
Ekstremalnie wielki teleskop do dalszych badań
Więcej odpowiedzi mogą przynieść nowe teleskopy, takie jak Ekstremalnie Wielki Teleskop (ELT), który jest budowany w Chile i ma rozpocząć obserwacje w 2028 roku.
Dzięki ELT możemy szczegółowo przyjrzeć się galaktykom we wczesnym Wszechświecie – powiedział Belli, czego JWST nie jest w stanie zrobić.
Dzięki temu naukowcy dowiedzą się o ogólnym tempie formowania się gwiazd, ale także o tym, gdzie powstają gwiazdy. Jeżeli ELT zadziała zgodnie z obietnica, powinno być całkiem fajnie – powiedział.
Określenie mechanizmu procesu wygaszania będzie miało kluczowe znaczenie dla rozwikłania zagadki, dlaczego galaktyki umierają, co wciąż wprawia naukowców w zakłopotanie.
Nie powinno to być możliwe, ponieważ gdy galaktyka znajduje się we wczesnym Wszechświecie, jest wypełniona gazem – powiedział Toft.
Jak można przejść od formowania tysięcy mas słonecznych rocznie do zera? Jeżeli chcemy udowodnić, że czarne dziury są za to odpowiedzialne, musimy znaleźć galaktyki w trakcie procesu wygaszania.
Dzięki temu zrozumieniu dowiemy się, jak powstał kosmos, który widzimy dzisiaj.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
