Wszechświat u początków swojego istnienia, niecałe 3 miliardy lat po wielkim wybuchu, był zupełnie inny niż ten, w którym żyjemy teraz. Opublikowane dziś wyniki badań, prowadzonych pod kierunkiem Mahmouda Hameda z NCBJ, pomagają zrozumieć jak tworzyły się i umierały galaktyki we wczesnym Wszechświecie. Dla astronomów najciekawsze są te największe - ultramasywne galaktyki, bogate w pył i gwiazdy. Jak zdołały powstać w tak krótkim czasie? Czy procesy gwiazdotwórcze zachodziły w nich gwałtownie, czy też gwiazdy tworzyły się stopniowo, wykorzystując bogate w wodór środowisko?

Postęp technologiczny ostatnich dwóch dekad umożliwił powstanie instrumentów astronomicznych pozwalających na obserwację nawet najodleglejszych galaktyk. Dowiedzieliśmy się, że galaktyki nie są niezmiennymi tworami, zastygłymi w czasie i przestrzeni, ale przypominają żywe organizmy - rodzą się, starzeją i umierają. Za długość ich życia odpowiada prędkość procesów gwiazdotwórczych. W galaktyce gwiazdy mogą się tworzyć jedynie do wyczerpania wodoru - głównego budulca gwiazd. Gdy wodoru zaczyna brakować, nowe gwiazdy nie mogą powstawać i galaktyka umiera.

Z wieloletnich obserwacji wynika , że w dawnym Wszechświecie Galaktyki tworzyły więcej gwiazd niż obecnie. Najwięcej gwiazd powstawało w czasach tzw. Kosmicznego Południa (ang. cosmic noon). Epoka ta miała miejsce około 10 mld lat temu (kiedy Wszechświat miał zaledwie 3 miliardy lat). Astronomów intryguje m.in. fakt, że niektóre z galaktyk żyjących w czasie Kosmicznego Południa były bardziej masywne niż dzisiejsze znacznie starsze galaktyki, takie jak nasza Droga Mleczna, i to nawet kilkukrotnie. Są to tzw. galaktyki ultramasywne.

Liczne zagadki, na jakie natykamy się przy badaniach historii galaktyk, sprawiły, że astronomia pozagalaktyczna stała się jednym z najbardziej intensywnie rozwijających się a jednocześnie interdyscyplinarnych tematów badań. Obejmuje takie dziedziny jak fizyka, chemia i modelowanie analityczne. Dzięki danym zebranym w szerokim zakresie pasma elektromagnetycznego w czasach Kosmicznego Południa możliwe stało się śledzenie losów takich ultramasywnych galaktyk. Szukamy odpowiedzi na nasuwające się pytania w jaki sposób ultramasywne galaktyki uzyskały swoją masę? Czy utworzyły swoje gwiazdy w krótkim okresie bardzo intensywnej aktywności gwiazdotwórczej, czy też w po prostu dłuższym czasie bardziej wydajnie niż ich starsze koleżanki zamieniały wodór w gwiazdy?

Aby odpowiedzieć na te pytania oraz zbadać naturę ultramasywnych obiektów, międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez Mahmouda Hameda, wraz z jego promotorką dr hab. Katarzyną Małek (Zakład Astrofizyki NCBJ), w ścisłej współpracy z dr Laure Cieslą i dr. Matthieu Bétherminem Laboratorium Astrofizyki w Marsylii (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille) analizował procesy fizyczne zachodzące w ośrodku międzygwiazdowym tych olbrzymów. “Zbadaliśmy i przeanalizowaliśmy w różnych długościach fal elektromagnetycznych interesujący układ dwóch galaktyk w epoce Kosmicznego Południa” - podsumowuje Mahmoud Hamed, doktorant drugiego roku w szkole doktorskiej NCBJ i IChTJ - ”dzięki temu oszacowaliśmy podstawowe parametry fizyczne układu składającego się z ultramasywnej galaktyki i jej towarzyszki. Nazwaliśmy te dwie galaktyki imionami fenickich bogów: Astarte i Adonis”.

Astarte jest nie tylko ultramasywna, ale też ultrapyłowa. Jest bardzo jasna w podczerwieni, czyli w zakresie promieniowania cieplnego emitowanego przez pył w ośrodku międzygwiazdowym. Astarte jest tak zapylona, że ledwo widać ją w świetle widzialnym. Jest to powszechna cecha pyłu w galaktykach - pochłania on fotony o krótszej długości fal i emituje ich energię w podczerwieni. Adonis z kolei nie jest tak silnie zapylony i w przeciwieństwie do Astarte widoczny jest w ultrafiolecie i świetle widzialnym, natomiast niknie w podczerwieni. Razem z Astarte tworzą interesujący układ przeciwieństw, który może powiedzieć wiele o ich ewolucji i być może pomóc rozwiązać zagadkę, w jaki sposób rzadkie masywne galaktyki zdołały stać się bardziej masywne niż ich sąsiadki.

Ultramasywna Astarte została zaobserwowana za pomocą interferometru Atacama Large Millimeter Array (ALMA), który rejestruje zimny pył i emisję z wzbudzonych cząsteczek w ośrodku międzygwiazdowym. Dzięki obserwacjom ALMA wykryliśmy emisję pochodzącą od tlenku węgla (CO) z obłoków molekularnych Astarte. Dzięki temu oszacowaliśmy masę wodoru w tej galaktyce. Okazało się, że poziom zawartości gazu w Astarte jest znacznie niższy niż w typowych galaktykach gwiazdotwórczych obserwowanych w okresie Kosmicznego Południa.

Wyznaczyliśmy podstawowe parametry fizyczne tego ciekawego układu: ilość obecnych w nich gwiazd i tempo powstawania nowych. “Zaskoczyło nas, że tempo powstawania gwiazd w Astarte jest zbyt wysokie, znacznie wyższe niż można wyjaśnić na podstawie jej zapasów wodoru. Jeśli Astarte nadal będzie tworzyć gwiazdy w tym tempie, to wyczerpie cały swój gaz w ciągu najbliższych 220 milionów lat!” - mówi Mahmoud Hamed. Podkreślamy, że 220 milionów lat to bardzo niewiele w porównaniu do zwykłych skal czasowych, z jakimi mamy do czynienia w przypadku procesów zachodzących w galaktykach. “Adonis jest również nietypowy" - wyjaśnia badacz. "Tworzy on zbyt wiele gwiazd w stosunku do swojej masy, co nazywamy silnym wybuchem gwiazdotwórczym.” Jednym z najważniejszych wniosków opublikowanej właśnie pracy “Multiwavelength dissection of a massive heavily dust-obscured galaxy and its blue companion at z∼2“ jest to, że ultramasywna Astarte, 40 razy bardziej masywna niż nasza wiekowo o wiele starsza, ale wciąż młodo wyglądająca Droga Mleczna, umiera; Astarte nadal zmienia swój wodór w gwiazdy kontynuując proces, rozpoczęty w trakcie wybuchu aktywności gwiazdotwórczej jaki przechodzi właśnie jej sąsiad Adonis. Wynik ten motywuje do jeszcze dokładniejszych badań nad ewolucją galaktyk.

Praca oryginalna:

M. Hamed, L. Ciesla, M. Béthermin, K. Małek, E. Daddi, M. T. Sargent, R. Gobat "Multiwavelength dissection of a massive heavily dust-obscured galaxy and its blue companion at z~2", Astronomy & Astrophysics, 2021

DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202039577