Kosmos skryty za pyłowym całunem. Naukowcy wiedzą o nim coraz więcej

Wśród specjalistów zaangażowanych w międzynarodowe badania znalazło się dwoje naukowców z polskiego Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) - Katarzyna Małek i William Pearson. Dzięki podjętemu wysiłkowi zespół badawczy rzucił światło na złożone procesy fizyczne związane z wytwarzaniem pyłu, metali i gwiazd w toku wczesnej ewolucji galaktyk.

Jak wynika z opublikowanego opracowania, już w młodym Wszechświecie powstawało wiele ogromnych skupisk materii, bogatych w gwiazdy i pył - nawet zaledwie dwa miliardy lat po Wielkim Wybuchu pojawiały się ich tysiące. Ich badanie od momentu odkrycia 20 lat temu stanowiło prawdziwe wyzwanie dla astronomów. „Z jednej strony są one trudne do wykrycia, ponieważ znajdują się w gęstych obszarach odległego Wszechświata i zawierają cząstki pyłów, które pochłaniają większość światła optycznego emitowanego przez młode gwiazdy” – wyjaśnia dr Drako Donevski, stypendysta SISSA i główny autor badania. „Z drugiej strony wiele z tych pyłowych „olbrzymów” powstało w czasach, gdy Wszechświat był bardzo młody - miał mniej niż 1 miliard lat - i nadal pozostaje zagadką, jak tak duża ilość pyłu mogła zostać wyprodukowana tak wcześnie we Wszechświecie" - zauważa dalej.

Więcej światła na całe zagadnienie udało się rzucić dopiero po aktualnym przebadaniu blisko 300 odległych, zapylonych galaktyk, wykrytych z użyciem obserwatorium ALMA. Międzynarodowa inicjatywa, prowadzona równocześnie przez Wyższą Międzynarodową Szkołę Badań Zaawansowanych (SISSA) w Trieście oraz Narodowe Centrum Badań Jądrowych - z udziałem międzynarodowego zespołu naukowców - wyjaśnia teraz, jak to było możliwe. Naukowcy połączyli metody obserwacyjne i teoretyczne, aby zidentyfikować procesy fizyczne leżące u podstaw ich ewolucji i po raz pierwszy znaleźli dowody na szybki wzrost zawartości pyłu w tych galaktykach spowodowany wysokim stężeniem metali w odległym Wszechświecie.

Badanie możliwe dzięki Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) poszerzyło wydatnie wiedzę na ten temat. Interferometr składający się z 66 teleskopów umieszczony jest na pustyni Atakama w północnym Chile i umożliwia wykrywanie światła podczerwonego, które przenika przez pyłowe chmury, ujawniając obecność nowo tworzących się gwiazd. „Przez wiele lat naukowcy sądzili, że powstawanie pyłu kosmicznego jest spowodowane wyłącznie eksplozjami supernowych. Jednak ostatnie prace teoretyczne sugerują, że zawartość pyłu może również wzrastać w wyniku zderzeń cząstek zimnego, bogatego w metale gazu, który wypełnia galaktyki ”- wyjaśnia dr Donevski. „Wyznaczyliśmy właściwości fizyczne naszych galaktyk, stosując specjalną technikę modelowania ich szerokopasmowych widm energetycznych” - uzupełnia dr hab. Katarzyna Małek, adiunkt w Zakładzie Astrofizyki Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

Wiele złożonych procesów fizycznych, które zachodzą [w galaktykach - przyp. red.], pozostawia swój ślad w ich widmie. Widmo energetyczne, czyli zależność wypromieniowywanej energii od długości fali, to swoiste DNA galaktyki. Modelowanie widm energetycznych pomaga nam oszacować takie wielkości fizyczne, jak masa pyłu lub masa gwiazd w galaktyce. Dzięki analizie widm szerokopasmowych udało nam się zidentyfikować dwie różne populacje galaktyk w naszej próbce: typowe galaktyki aktywne gwiazdotwórczo - tak zwane galaktyki ciągu głównego, i ekstremalne obiekty, w których zachodzą wyjątkowo intensywne procesy gwiazdotwórcze (ang. starburst galaxies). Taka ekstremalna galaktyka tworzy rocznie gwiazdy o łącznej masie nawet 10-100 mas Słońca.

„Znaleźliśmy ogromną ilość masy pyłu w większości naszych galaktyk” – podkreśla z kolei dr Donevski. „Nasze szacunki pokazały, że wybuchy supernowych nie mogą być odpowiedzialne za to wszystko, a część musiała powstać w wyniku zderzeń cząstek w środowisku bogatym w gazowe metale wokół masywnych gwiazd, jak wcześniej przewidywały to modele teoretyczne" - zaznacza. Zdaniem tego specjalisty, to pierwszy przypadek, kiedy dane obserwacyjne potwierdzają istnienie obu mechanizmów produkcji.

Naukowcy przyjrzeli się również zmianom w czasie, jakie dotyczą relacji masy pyłu do masy gwiazd - aby zbadać, jak skutecznie galaktyki tworzą i niszczą pył podczas swojej ewolucji. „To pozwoliło nam zidentyfikować cykl życia pyłu w dwóch różnych populacjach galaktyk: normalnych oraz bardziej ekstremalnych, szybko ewoluujących galaktykach gwiazdotwórczych” - powiedziała Lara Pantoni, doktorantka w SISSA, która opracowała model analityczny służący do interpretacji danych i wykazujący potencjał w opisywaniu różnic w tych dwóch grupach obserwowanych galaktyk. „Co ciekawe, wykazaliśmy również, że bez względu na odległość, masę lub rozmiar gwiazd, zwarte galaktyki gwiazdotwórcze zawsze mają wyższy stosunek masy pyłu do masy gwiazdy niż zwykłe galaktyki”.

Aby w pełni ocenić wyniki obserwacji, zespół astronomów skonfrontował także swoje dane z najnowszymi modelami i symulacjami galaktyk. Wykorzystano symulację kosmologiczną SIMBA, nowy zestaw, który symuluje powstawanie i ewolucję milionów galaktyk od początku Wszechświata do chwili obecnej, śledząc wszystkie ich właściwości fizyczne, w tym masę pyłu. „Do tej pory modele teoretyczne miały problemy z jednoczesnym dopasowaniem zawartości pyłu w galaktykach, jak i właściwości gwiazd. Jednak nasz nowy pakiet symulacji kosmologicznych SIMBA był w stanie odtworzyć większość zaobserwowanych danych” - wyjaśnia Desika Narayanan, profesor astronomii na Uniwersytecie Florydy i członek instytutu DAWN w Kopenhadze.

Jak wyjaśniają dalej naukowcy, produkcja pyłu w tzw. „gigantach” jest zdominowana przez bardzo szybki wzrost ilości cząstek w wyniku ich zderzeń z gazem. „Stanowi to pierwszy dowód na poparcie tezy, że powstawanie pyłu zachodzi zarówno podczas śmierci gwiazd, jak i w przestrzeni między tymi masywnymi gwiazdami, jak zakładają badania teoretyczne" - twierdzi dr Donevski. "Nasza praca oferuje nowe, mieszane podejście do badania ewolucji masywnych obiektów w odległym Wszechświecie, które będą testowane za pomocą przyszłych teleskopów kosmicznych, takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba” - zapowiada na koniec.

Wyniki omawianych badań ukazały się w artykule naukowym pt. „In pursuit of giants I. The evolution of the dust-to-stellar mass ratio in distant dusty galaxies”. Wśród autorów znaleźli się: D. Donevski, A. Lapi, K. Małek, D. Liu, C. Gómez-Guijarro, R. Davé, K. Kraljic, L. Pantoni, A. Man, S. Fujimoto, A. Feltre, W. Pearson, Q. Li oraz D. Narayanan. Materiał opublikowano w periodyku Astronomy & Astrophysics - jest dostępny pod tym adresem.

Źródło: Narodowe Centrum Badań Jądrowych