Galaktyczne odpływy gazu rządzą ewolucją galaktyk karłowatych

Gwiazdom przypisywana jest kluczowa rola w sterowaniu ewolucją galaktyk o niewielkich masach. Wytwarzane w nich wiatry galaktyczne, tzw. odpływy (ang. outflows), wyrzucają gaz poza ośrodek międzygwiazdowy, uniemożliwiając powstawanie nowych gwiazd. Badania wpływu galaktycznych odpływów na cykl barionowy galaktyk karłowatych, przeprowadzone przez międzynarodowy zespół naukowców pod przewodnictwem astrofizyka z NCBJ, zostały właśnie opublikowane w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics.

Sprzężenia zwrotne powstałe przy formowaniu się gwiazd i/lub w aktywnych jądrach galaktyk mają ogromny wpływ na ewolucję galaktyk o niskiej masie (tzw. galaktyk karłowatych). Oba te mechanizmy wytwarzają wielkoskalowe „wiatry” będące w stanie przezwyciężyć dość słaby potencjał grawitacyjny całego systemu (galaktyki) i porwać ze sobą bardzo duże ilości gazów i pyłów, przenosząc je w przestrzeń międzygalaktyczną (intergalactic medium, IGM). Zjawisko to pozbawia galaktykę materiału potrzebnego to tworzenia nowych gwiazd. Od dziesięcioleci sprzężenia zwrotne były uważane za główny czynnik łagodzący szereg napięć między przewidywaniami teoretycznymi, a obserwowanymi właściwościami galaktyk o niskiej masie. W związku z tym niezbędne jest dokładne zrozumienie tych procesów.

W pracy opublikowanej ostatnio na łamach czasopisma Astronomy & Astrophysics, międzynarodowy zespół astronomów badał wpływ galaktycznych odpływów na wzajemne relacje pomiędzy tempem powstawania nowych gwiazd, a wyczerpywaniem się zasobów gazu i pyłu w kilkudziesięciu pobliskich galaktykach karłowatych. Zespołem kierował dr Michael Romano z Zakładu Astrofizyki Narodowego Centrum Badań Jądrowych, we współpracy m. in. z dr Ambrą Nanni, która przewodzi w NCBJ grupie badawczej w ramach nagrodzonego grantem SONATA BIS NCN projektu DINGLE.

Naukowcy wykorzystali należące do Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) Kosmiczne Obserwatorium Herschela do wykrycia promieniowania o długości fali 158 μm, emitowanego przez konkretne jony węgla, tzw. [CII]. Jonizacja atomów węgla jest powodowana głównie przez promieniowanie ultrafioletowe pochodzące z młodych gwiazd otoczonych chmurami pyłu. Światło emitowane przez [CII] może więc nieść informacje o aktywności gwiazdotwórczej, a badanie jego profilu linii emisyjnych pozwala na znalezienie odpływów gazu powodowanych przez powstawanie nowych gwiazd.

„Nasz zespół analizował linie emisyjne [CII] około 30 lokalnych galaktyk karłowatych, czyli galaktyk o niskiej masie, w poszukiwaniu nadmiaru jonów węgla z uwzględnieniem emisji powodowanej aktywnością gwiazdotwórczą” – opisuje dr Michael Romano, pierwszy autor publikacji. „Ten nadmiar można zaobserwować jedynie wtedy, gdy odpływy wyrzucają gaz poza ośrodek międzygwiezdny galaktyki z dużą prędkością, co jednoznacznie wskazuje na działanie sprzężeń gwiezdnych, które wpływają na cykl barionowy w tych galaktykach.”

Badacze odkryli, że sprzężenia zwrotne powstałe w wyniku aktywności gwiazdotwórczej są średnio odpowiedzialne za odpływ nawet ~40% gazu do przestrzeni międzygalaktycznej, gdzie nie może już służyć dalszemu formowaniu nowych gwiazd. Jednocześnie emisja [CII] jest niemal dwukrotnie silniejsza, niż wykryte promieniowanie ultrafioletowe w obserwowanych galaktykach. Oznacza to, że znacząca ilość gazu nadal znajduje się w ośrodku okołogalaktycznym (circumgalactic medium, CGM) tych obiektów i wciąż jest z nimi związana grawitacyjnie. Taki gaz dalej może służyć jako paliwo do powstawania nowych gwiazd.

„Odpływy są niezwykle istotnym elementem, rządzącym ewolucją galaktyk w trakcie ich życia” – dodaje dr Ambra Nanni. „Zarówno symulacje kosmologiczne, jak i modele chemiczne sugerują, że są one niezbędne do prawidłowego odtworzenia obserwowanego składu gazu i pyłu, jaki występuje w przestrzeni międzygwiezdnej małych galaktyk. Ograniczenia, jakie nakładają wnioski naszych badań na galaktyczne odpływy, stanowią dla teoretyków podstawę do symulowania cyklu barionowego galaktyk. Dodatkowo, pozwalają na lepszą interpretację obserwacji i ustalenie dokładniejszych przewidywań dla przyszłych obserwacji za pomocą teleskopów ALMA, NOEMA, czy JWST.”

Wyniki badań naukowców wskazują, że zjawisko odpływów jest wszechobecne w galaktykach o niewielkich masach. Co więcej, jak podkreślają autorzy pracy, mogą one stanowić most prowadzący do zrozumienia procesów zachodzących w pierwotnych galaktykach powstałych zaledwie miliard lat po Wielkim Wybuchu. Szacuje się, że własności fizyczne tych galaktyk są zbliżone do analizowanych galaktyk karłowatych i mogą nimi rządzić podobne mechanizmy sprzężeń.

Pełne wyniki badań są dostępne w artykule: Star-formation-driven outflows in local dwarf galaxies as revealed from[CII] observations by Herschel; M. Romano, A. Nanni, D. Donevski, M. Ginolfi, G. C. Jones, I. Shivaei, Junais, D. Salak, P. Sawant; A&A; DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202346143