Międzynarodowa grupa astronomów, wykorzystując Very Large Array (VLA) i gigantyczną soczewkę grawitacyjną dostarczoną przez naturę, odkryła że młoda galaktyka posiada centralny dysk gazu, w którym rocznie rodzą się setki gwiazd. To bardzo odległa, młoda galaktyka, a obserwacje dotyczą okresu, gdy Wszechświat miał ułamek obecnego wieku.

„To unikalne spojrzenie w głąb odległej młodej galaktyki umożliwia przyglądnięcie się procesowi, w wyniku którego w formujących się galaktykach powstaje ogromna liczba młodych gwiazd i supermasywne czarne dziury” – mówi Chris Carilli z National Radio Astronomy Observatory (NRAO) w Socorro. – „Nasza praca mocno wspiera teorię, że gwiazdy i czarne dziury powstawały równocześnie” – dodaje.

Astronomowie badali odległy o 12 miliardów lat świetlnych kwazar PSS J2322+1944. Pochodzi on z okresu około 2 miliardów lat po Wielkim Wybuchu.

Aby wykryć dysk naukowcy skorzystali z bardzo dużej pomocy natury. Musieli zaobserwować naturalne promieniowanie radiowe cząsteczek tlenku węgla (CO), ważnego składnika gazu, z którego powstają gwiazdy. Co prawda falom radiowym odpowiadają częstotliwości nieosiągalne dla VLA, jednak oddalenie kwazara i związane z nim przesunięcie widma ku czerwieni spowodowało, że promieniowanie CO dociera do Ziemi w paśmie nie 230 a 45 GHz, przez co jest dostrzegalne przez VLA.

Jednak to nie wszystko. Oddalenie kwazara, które pozwoliło odbierać promieniowanie CO powodowałoby, że w obrazie nie byłyby widoczne szczegóły pozwalające wyróżnić dysk. Na szczęście na drodze promieniowania stanęła inna galaktyka, która posłużyła za soczewkę grawitacyjną, wzmacniającą obraz kwazara.

„Potrzebowaliśmy czegoś więcej niż zwykła soczewka grawitacyjne, obiektu położonego idealnie na odcinku łączącym Ziemię i kwazara, w samym jego środku – i taki obiekt akurat tam był” – mówi Geraint Lewis z University of Sydney. Dzięki obraz kwazara został uformowany na pierścieniu zwanym Pierścieniem Einsteina.

„Nigdy nie udałoby na się zaobserwować dysku CO w centrum galaktyki bez soczewki grawitacyjnej – mówi Carilli. – „Soczewka wzmocniła sygnał, powiększyła obraz i dzięki temu ukazała się niezwykle szczegółowa struktura dysku„.

Od kilku lat naukowcy obserwowali, że masa czarnej dziury jest wprost proporcjonalna do rozmiaru skupiska gwiazd w centrum galaktyki. To wzbudziło podejrzenia, że procesy formacji młodych gwiazd i czarnych dziur są z sobą w jakiś sposób powiązane. Pojawiły się hipotezy, że gaz, który jest przyciągany przez czarną dziurę to ten sam gaz, w którym formują się liczne gwiazdy.

Badania pobliskich galaktyk poparły to przypuszczenie, jednak nadal pytaniem pozostawało to, czy ta sama teoria może zostać zastosowana do młodego Wszechświata i odległych galaktyk.

Astronomowie wierzą, że pierwsze galaktyki był często napotykały inne, a w spotkania centralna czarna dziura była „karmiona” gazem. Gaz formował rotujący dysk wokół centrum galaktyki, część z niego opadała na czarną dziurę, a część brała udział formowaniu gwiazd.

Badający PSS J2322+1944 naukowcy uważają, że gwiazdy o sumarycznej masie 900 mas Słońca formują się rocznie w dysku. W tym tempie w większość gwiazd w wielkiej eliptycznej galaktyce mogła powstać w ciągu zaledwie 100 milionów lat.

NRAO

Zdjęcie PSS J2322+1944 w promieniowaniu optycznym wykonane przez Teleskop Kecka. Pokazuje podwójny obraz kwazara w efekcie soczewkowania grawitacyjnego (lewe zdjęcie). Po prawej widoczny jest obraz uzyskany przez VLA. Widoczne jest promieniowanie dysku zawierającego CO i efekt pierścienia Einsteina. Krzyżyki na zdjęciu wskazują pozycję obrazów kwazara ze zdjęcia w promieniowaniu widzialnym.

PSS J2322+1944 jest jednym z najjaśniejszych kwazarów na niebie. Pierwszy raz został zauważony przez George Djorgovskiego z Caltech podczas Palomar Observatory Sky Survey. Następnie był badany przez Pierra Coxa i Alaina Omonta z Astrophysical Institute of Paris za pomocą 30 metrowego teleskopu IRAM. Odkryto wtedy ogromny obłok pyłu i gazu molekularnego, który podsycał formowanie się gwiazd. Obserwacje optyczne wykonane przez teleskop Kecka ukazały podwójny obraz, który wskazywał na efekt grawitacyjny. Te cechy spowodowały, że kwazar uznano za idealny do badania przez VLA.

„Nasze przypuszczenia sprawdziły się. Odnalezienie Pierścienia Einsteina przy pomocy VLA dostarczyło nam narzędzia niezbędnego do spojrzenia we wnętrze odległej galaktyki” – mówi Carilli. – „Znamy mniej niż 100 soczewek grawitacyjnych, a my mieliśmy niezmierne szczęście , że ta pozwoliła nam rozwiązać problem, który badaliśmy„.

Efekt soczewkowania grawitacyjnego został przewidziany przez Alberta Einsteina w ogólnej teorii względności w 1919. Einstein wykazał w 1936 roku, że idealnie położona soczewka grawitacyjna dałaby kołowy obraz, jednak uznał, że szanse na rzeczywiste zaobserwowanie zjawiska są bliskie zeru. Pierwszą soczewkę grawitacyjną odkryto w 1979 roku. W 1987 VLA zaobserwował pierwszy pierścień Einsteina. Pierścień PSS J2322+1944 jest najdalszym z dotąd zaobserwowanych.

PSS J2322+1944 może przysłużyć się nauce w jeszcze jeden sposób. Astronomowie uważają, że soczewki grawitacyjne mogą służyć do mierzenia wielkich odległości we Wszechświecie. Jeśli blask kwazara zmienia się w czasie, na wielu obrazach uzyskanych przez soczewkę te zmiany będą widoczne w różnym czasie. Śledzenie tych różnic i dopasowanie do soczewki odpowiedniego modelu matematycznego może pozwolić zmierzyć odległość do kwazara.

„Jeśli ten kwazar zmienia jasność, nasza soczewka może okazać się „złotą soczewką”, od dawna poszukiwaną, aby sprawdzić ten model” – dodaje Lewis.

W obserwacjach kwazara brali udział Carilli, Lewis, Djorgovski, Cox i Omont oraz Ashish Mahabal i Frank Bertoldi.