Kosmiczne Obserwatorium Herschela odkryło, że masywne eliptyczne galaktyki znajdujące się w najbliższym nam Wszechświecie zawierają mnóstwo zimnego gazu, pomimo tego, że nie powstają tam nowe gwiazdy. Gwiazdy powstają poprzez kompresję bardzo zimnego gazu (ok. 10 K). Aby taki mógł istnieć, gorący gaz znajdujący się w przestrzeni po wybuchach olbrzymów musi zostać ostudzony. Po porównaniu z innymi danymi odkryto, że zastój w formowaniu się gwiazd może być powodowany przez centralne supermasywne czarne dziury.

Artykuł napisała Bernadetta Fryczkowska.

Zimny gaz – główny bohater kryminału

Najbardziej zagadkowym typem galaktyk we Wszechświecie są ogromne galaktyki eliptyczne. W tajemniczy sposób ustało w nich formowanie się nowych gwiazd i składają się głównie z najdłużej żyjących gwiazd. Występujące tam obiekty są lekkie i świecą na czerwono. To dlatego astronomowie nazwali ten typ galaktyk „martwymi i czerwonymi”.

Astronomowie długo zastanawiali się nad fizycznymi procesami prowadzącymi do zakończenia powstawania nowych gwiazd. Spekulowali, czy takie galaktyki w jakiś sposób pozbywają się zimnego gazu, czy też cały ten gaz został po prostu zużyty do zbudowania gwiazd już istniejących. Pomimo tego, że przyczyna pozostała nieznana jedno zostało uznane za pewnik, mianowicie wielkie galaktyki eliptyczne pozostają martwe i czerwone ponieważ nie zawierają już surowca niezbędnego do formowania się nowych gwiazd – zimnego gazu.

Najnowsze badania – pierwszy zwrot akcji

Pogląd ten zaczął się zmieniać wraz z opublikowaniem najnowszych badań prowadzonych za pomocą należącego do Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA – European Space Agency) Kosmicznego Obserwatorium Herschela.

„Przyglądaliśmy się ośmiu wielkim galaktykom eliptycznym, których nikt jeszcze nigdy nie oglądał przy użyciu Herschela. Z zaskoczeniem odkryliśmy, że w przeciwieństwie do naszych wcześniejszych założeń sześć z nich jest pełnych zimnego gazu” – mówi Norbert Werner z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii.

Po raz pierwszy w historii astronomowie znaleźli tak wielkie pokłady tej substancji w „martwych i czerwonych” galaktykach, położonych poza centralną częścią gromad galaktyk.

Zimny gaz można zaobserwować poprzez promieniowanie podczerwone emitowane przez jony węgla i atomy tlenu. Wrażliwość Herschela na tą długość fali umożliwiła dokonanie tak epokowego odkrycia.

„Pomimo tego, że obserwujemy mnóstwo zimnego gazu, nie zauważamy żadnych objawów powstawania gwiazd. To jest niesamowicie dziwaczne” – mówi Raymond Oonk współautor pracy z ASTRON (Holenderskiego Instytutu Radioastronomii). „Dlaczego pomimo posiadania ogromnych zasobów tego surowca nie formują się gwiazdy?„

Teleskop Herschela umożliwia prowadzenie obserwacji kosmicznych w zakresie dalekiej podczerwieni i fal submilimetrowych. Pomógł naukowcom z ESA odnaleźć ogromne pokłady zimnego gazu w olbrzymich galaktykach eliptycznych.

Dochodzenie

Astronomowie kontynuują badania nad próbką ośmiu galaktyk oglądając je w różnych zakresach widma elektromagnetycznego, ponieważ gaz o różnych temperaturach wysyła fale na różnych długościach. Używają promieniowania widzialnego, aby znaleźć gaz o temperaturze nieco wyższej niż zimny gaz znaleziony przez Herschela. Promieniowanie X rejestrowane przez teleskop kosmiczny Chandra (należący do NASA) pozwala znaleźć ślady gorącego gazu o temperaturze kilkudziesięciu milionów Kelwinów.

„W sześciu galaktykach, bogatych w zimny gaz, dane z promieniowania X ukazują oznaki tego, że gorący gaz się oziębia” – mówi Werner.

Proces ten jest zgodny z oczekiwaniami. Po oziębieniu, gaz daje się obserwować na długich falach. Jednakże, w badanych galaktykach ochładzanie się materii zostało w jakiś sposób zatrzymane. To przez ten zastój chłodny gaz nie może się skondensować i utworzyć nowych gwiazd.

W pozostałych dwóch galaktykach z tej próbki – tych bez zimnego gazu – nie wydaje się, aby gorący gaz się ochładzał. „Zupełnie różne zachowania galaktyk mogą mieć jedno wyjaśnienie – centralną supermasywną czarną dziurę” – mówi Oonk.

Nowa nadzieja

W niektórych modelach teoretycznych to poziom aktywności czarnej dziury może być wyjaśnieniem, dlaczego gaz w galaktykach jest lub nie zdolny do oziębiania się i formowania gwiazd. Ta teoria wydaje się być jedyną, która we właściwy sposób opisuje galaktyki badane przez zespół Wernera.

Podczas gdy tych sześć galaktyk pełnych zimnego gazu ma mało aktywne czarne dziury w swoim centrum, pozostałe dwie wyglądają na zupełnie inne. W galaktykach bez zimnego gazu centralne czarne dziury wirują w szaleńczym tempie. Mogliśmy to odkryć poprzez obserwacje radiowe ukazujące olbrzymie dżety wysokoenergetycznych cząstek wystrzelanych wprost ze środka czarnej dziury.

Dżety mogą być rezultatem płynięcia gorącego, ochładzającego się gazu do centrum galaktyk. Ten napływ zimnego gazu może zwiększać tempo wirowania czarnych dziur, co powoduje wystrzelenie dżetów widocznych w przedziale długości fal radiowych.

Te z kolei, mogą podgrzewać galaktyczne zasoby zimnego gazu albo wypychać ten gaz poza granice galaktyki. Ten scenariusz może wyjaśnić nieobecność formowania się gwiazd w obserwowanych galaktykach, a także wytłumaczyć brak takowego gazu w tych olbrzymich dżetach.

Artystyczna wizja czarnej dziury wyrzucającej dżety

Rozwiązanie zagadki

„Galaktyki są czerwone, ale olbrzymie czarne dziury tętniące w ich sercu sprawiają, że zdecydowanie nie możemy ich nazwać martwymi” – mówi Werner.

„Po raz kolejny Herschel wykrył coś, co nigdy przedtem nie było oczekiwane. Tym razem były to olbrzymie pokłady zimnego gazu w pobliskich martwych i czerwonych galaktykach” – mówi Göran Pilbratt z ESA. „Niemniej jednak galaktyki te nie produkują nowych gwiazd i winnymi wydają się być czarne dziury„.