Nowe badania wskazują, że wczesne galaktyki zawierają duże ilości gazu i pyłu, niezbędnego w procesie gwiazdotwórczym, większe, niż wskazywałyby na to modele teoretyczne. W ostatnio opublikowanej pracy, zespół naukowców z Zakładu Astrofizyki NCBJ wykorzystał obserwacje programu ALPINE-ALMA do zbadania obecności gazu i pyłu w galaktykach, które uformowały się w ciągu pierwszego miliarda lat po Wielkim Wybuchu.

Ewolucją galaktyk rządzi wiele procesów, związanych z obecnością gazu i pyłu w ośrodku międzygwiazdowym (interstellar medium, ISM). Ochładzanie gazu prowadzi do formowania się gwiazd, z kolei gwiazdy wzbogacają ISM w cięższe pierwiastki, np. poprzez wybuchy supernowych czy wiatry gwiazdowe. Również procesy takie jak odpływy galaktyczne, fale uderzeniowe towarzyszące supernowym, czy narastanie pyłu w ISM, w różnym stopniu wpływają na skład i ilość gazu i pyłu w galaktykach. I choć pył ten stanowi zaledwie 1% materii międzygwiazdowej, istotnie wpływa na procesy fizyczne i chemiczne, np. poprzez pochłanianie promieniowania ultrafioletowego i widzialnego pochodzącego z młodych gwiazd i jego dalszą emisję w innych długościach fali. Aby w pełni zrozumieć ewolucję galaktyk, niezbędne jest precyzyjne opisanie i scharakteryzowanie wszystkich tych procesów.

Ostatnie dekady przyniosły ogromny rozwój w tym zakresie, między innymi dzięki pojawieniu się zaawansowanych teleskopów, takich jak Kosmiczny Teleskop Hubble’a (HST), Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), czy obserwatorium ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array). Obserwacje dostępne dzięki tym urządzeniom pozwalają naukowcom spojrzeć w przeszłość, sięgając czasów bliskich Wielkiego Wybuchu. Badania oparte na tych obserwacjach wykazały znaczną ilość gazu i pyłu w ośrodku międzygwiazdowym galaktyk powstałych w ciągu pierwszego miliarda lat od Wielkiego Wybuchu, co stanowi wyzwanie dla modeli teoretycznych.

W najnowszych badaniach, opublikowanych ostatnio na łamach czasopisma Astronomy & Astrophysics, międzynarodowy zespół astrofizyków z dużym udziałem naukowców z Zakładu Astrofizyki NCBJ przeanalizował skład pyłu i gazu w próbce galaktyk, które uformowały się około miliarda lat po Wielkim Wybuchu. W tym celu zespół wykorzystał obserwacje prowadzone w ramach programu ALPINE (ALMA Large Program to INvestigate[CII] at Early times), które dotyczyły promieniowania emitowanego przez jon węgla [CII]. Jony te powstają dzięki promieniowaniu UV pochodzącemu od młodych gwiazd, więc intensywność ich emisji niesie ze sobą informacje o procesie powstawania gwiazd i aktywności w galaktykach, z których pochodzą. To z kolei pozwala na oszacowanie składu gazu i pyłu na podstawie rozkładu energii widmowej (spectral energy distribution, SED).

Badacze wykorzystali nowoczesne modele ewolucji chemicznej, dzięki którym mogli określić mechanizmy odpowiadające za produkcję bądź niszczenie pyłu i gazu w galaktykach, w tym efekty napływu czystego gazu, czy galaktyczne odpływy. „Odkryliśmy, że już na tak wczesnym etapie istnienia Wszechświata, w galaktykach znajdowała się znacząca ilość gazu i pyłu” – opowiada Prasad Sawant, doktorant Zakładu Astrofizyki NCBJ i pierwszy autor pracy. „Nasze badania wskazują, że ilość pyłu jaką obserwujemy w starszych galaktykach można wyjaśnić jako pochodzącą z wybuchu supernowych. Jednak w przypadku najmłodszych badanych przez nas galaktyk, ten proces nie jest wystarczający do wyjaśnienia obserwowanej przez nas ilości pyłu i potrzebny jest dodatkowy przyczynek powodowany przez narastanie cząsteczek pyłu.”

Kolejną część badań stanowiło testowanie hipotezy wariacyjnej funkcji masy początkowej (initial mass function, IMF). Ta empiryczna funkcja określa początkowy rozkład mas gwiazd w galaktyce i od jej przyjętej postaci silnie zależą otrzymywane w modelu własności fizyczne, takie jak masa gwiazd i pyłu, czy tempo formowania się gwiazd. „Zwykle w badaniach przyjmuje się kanoniczne postaci IMF” – wyjaśnia Prasad Sawant. „W naszym przypadku zbadaliśmy również postać faworyzującą powstawanie większej liczby masywnych gwiazd, co wpływa na zwiększenie liczby supernowych i produkcji pyłu”. Celem tej analizy było odtworzenie obserwowanej ilości pyłu w najmłodszych galaktykach poprzez przyjęcie zmodyfikowanej postaci IMF tam, gdzie postać kanoniczna nie była wystarczająca. Wyniki analiz wykazały, że przyjęcie takiej postaci IMF prowadzi do większej zgodności przewidywań modelu z rzeczywistymi obserwacjami, w porównaniu z typową postacią Chabrier IMF.

Prace astrofizyków, kierowane przez Prasada Sawanta pokazały istotne mechanizmy rządzące powstawaniem i niszczeniem pyłu w galaktykach wczesnego Wszechświata, zwłaszcza znaczący wpływ wybuchów supernowych i narastania cząsteczek pyłu w ISM. Co więcej, większa zgodność modelu z obserwacjami po użyciu zmienionej postaci IMF skłania do dalszych badań, zwłaszcza na podstawie nadchodzących danych z Teleskopu Jamesa Webba.

Badania były prowadzone w ramach projektu „DINGLE – Dust IN Galaxies: Looking through its Emission (Kierownik projektu: dr hab. Ambra Nanni)”, finansowanego przez NCN.

Pełne wyniki badań są dostępne w publikacji: „The ALPINE-ALMA[CII] Survey: Unveiling the baryon evolution in the interstellar medium of z ∼ 5 star-forming galaxies”; P. Sawant, A. Nanni, M. Romano, D. Donevski, G. Bruzual, N. Ysard, B. C. Lemaux, H. Inami, F. Calura, F. Pozzi, K. Małek, Junais, M. Boquien, A. L. Faisst, M. Hamed, M. Ginolfi, G. Zamorani, G. Lorenzon, J. Molina, S Bardelli, E. Ibar, D. Vergani, C. Di Cesare, M. Béthermin, D. Burgarella, P. Cassata, M. Dessauges-Zavadsky, E. D’Onghia, Y. Dubois, G. E. Magdis, H. Mendez-Hernandez; A&A 694 A82 (2025); DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202451542

Więcej informacji na temat ALPINE-ALMA jest dostępnych na stronie: http://alpine.ipac.caltech.edu/

Ilustracja: Obraz galaktyki o przesunięciu ku czerwieni z ~ 4,5 (uformowanej około 1,3 miliarda lat po Wielkim Wybuchu), utworzony z filtrów F090W (niebieski), F200W (zielony) i F444W (czerwony) Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba - NIRCam, który wyróżnia regiony intensywnego formowania się gwiazd. Nałożone kontury to wyniki detekcji z Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA): różowy pokazuje pył galaktyki, żółty przedstawia emisję [CII] 158µm, a więc rozkład zjonizowanego gazu [CII].