Studie odhaluje galaxii Phoenix v procesu extrémního ochlazování

Jádro obrovské kupy galaxií produkuje mnohem více hvězd, než by se dalo očekávat. Vědci z MIT a dalších institucí objevili klíčovou složku v této kupě, která vysvětluje bouřlivou tvorbu hvězd v jejím jádru.

V nové studii publikované v časopise Nature vědci popisují, jak využili kosmický teleskop Jamese Webba (JWST) od NASA k pozorování kupy galaxií Phoenix – rozlehlé sbírky gravitačně vázaných galaxií obíhajících kolem centrální masivní galaxie vzdálené přibližně 5,8 miliardy světelných let od Země. Tato kupa je největší svého druhu, jakou vědci dosud pozorovali. Vzhledem ke své velikosti a odhadovanému věku by se galaxie Phoenix měla nacházet ve stadiu, které astronomové označují jako „červená a mrtvá“ – tedy dávno ukončila tvorbu hvězd charakteristickou pro mladší galaxie.

Astronomové však dříve zjistili, že jádro kupy Phoenix je překvapivě jasné a centrální galaxie zdánlivě produkuje hvězdy extrémně vysokou rychlostí. Tato pozorování vyvolala záhadu: Jak galaxie Phoenix pohání tak rychlou tvorbu hvězd?

V mladších galaxiích je „palivem“ pro tvorbu hvězd extrémně chladné a husté mračno mezihvězdného plynu. U mnohem starší kupy Phoenix nebylo jasné, zda centrální galaxie může podstoupit extrémní ochlazování plynu, které by vysvětlovalo její produkci hvězd, nebo zda chladný plyn migroval z jiných, mladších galaxií.

Nyní získal tým z MIT mnohem jasnější obraz jádra kupy pomocí dalekosáhlých infračervených schopností JWST. Poprvé se jim podařilo zmapovat oblasti v jádru, kde se nacházejí kapsy „teplého“ plynu. Astronomové dříve pozorovali náznaky jak velmi horkého, tak velmi chladného plynu, ale nic mezi tím.

Detekce teplého plynu potvrzuje, že kupa Phoenix aktivně chladne a je schopna sama generovat obrovské množství hvězdného paliva.

„Poprvé máme úplný obraz horké až teplé až chladné fáze tvorby hvězd, která nikdy nebyla pozorována v žádné galaxii,“ říká vedoucí autor studie Michael Reefe, postgraduální student fyziky v Kavliho institutu pro astrofyziku a kosmický výzkum MIT. „Existuje hala tohoto intermediálního plynu všude, kam se podíváme.“

„Otázkou nyní je, proč tento systém?“ dodává spoluautor Michael McDonald, docent fyziky na MIT. „Tato obrovská tvorba hvězd by mohla být něčím, čím projde každá kupa v určitém okamžiku, ale my to v současnosti vidíme jen v jedné kupě. Druhá možnost je, že v tomto systému je něco odlišného a Phoenix se vydal cestou, kterou jiné systémy nejdou. To by bylo zajímavé prozkoumat.“

Horké a chladné

Kupu Phoenix poprvé v roce 2010 objevili astronomové pomocí Jihopólního teleskopu v Antarktidě. Kupa zahrnuje asi 1 000 galaxií a nachází se v souhvězdí Phoenix, podle něhož je pojmenována. O dva roky později McDonald vedl úsilí o zaměření na Phoenix pomocí více teleskopů a objevil, že centrální galaxie kupy je extrémně jasná. Neočekávaná svítivost byla způsobena intenzivní tvorbou hvězd. On a jeho kolegové odhadli, že tato centrální galaxie produkuje hvězdy ohromující rychlostí asi 1 000 za rok.

„Před Phoenixem měla nejvíce hvězdy tvořící kupa galaxií ve vesmíru asi 100 hvězd za rok, a i to bylo výjimečné. Typické číslo je kolem jedné,“ říká McDonald. „Phoenix je skutečně odlišný od zbytku populace.“

Od tohoto objevu vědci čas od času kontrolovali kupu, aby našli vodítka k vysvětlení abnormálně vysoké produkce hvězd. Pozorují kapsy ultra-horkého plynu o teplotě asi 555 000 °C a oblasti extrémně chladného plynu o teplotě 10 kelvinů, neboli 10 stupňů nad absolutní nulou.

Přítomnost velmi horkého plynu není překvapením: Většina masivních galaxií, mladých i starých, má v jádrech černé díry, které vyzařují proudy extrémně energetických částic, které mohou nepřetržitě zahřívat plyn a prach galaxie po celou dobu její existence. Pouze v raných fázích galaxie se část tohoto milionstupňového plynu dramaticky ochladí na ultra-chladné teploty, které pak mohou tvořit hvězdy. U centrální galaxie kupy Phoenix, která by měla být dávno za fází extrémního chlazení, přítomnost ultrachladného plynu představovala hádanku.

„Otázkou bylo: Odkud se tento chladný plyn vzal?“ říká McDonald. „Není samozřejmé, že horký plyn se kdy ochladí, protože by mohla existovat zpětná vazba z černých děr nebo supernov. Existuje tedy několik životaschopných možností, nejjednodušší je, že tento chladný plyn byl vhozen do středu z jiných blízkých galaxií. Druhá je, že se tento plyn nějak přímo ochlazuje z horkého plynu v jádru.“

Neonové značení

Pro svou novou studii vědci pracovali na základě klíčového předpokladu: Pokud chladný, hvězdy tvořící plyn kupy Phoenix pochází zevnitř centrální galaxie, a ne z okolních galaxií, měla by centrální galaxie mít nejen kapsy horkého a chladného plynu, ale také plyn ve „teplé“ mezifázi. Detekce takového intermediálního plynu by bylo jako chytit plyn uprostřed extrémního chlazení, což by sloužilo jako důkaz, že jádro kupy je skutečně zdrojem chladného hvězdného paliva.

Na základě tohoto uvažování se tým snažil detekovat jakýkoli teplý plyn uvnitř jádra Phoenix. Hledali plyn, který měl teplotu někde mezi 10 kelviny a 1 milionem kelvinů. Aby našli tento plyn v systému vzdáleném 5,8 miliardy světelných let, vědci se obrátili na JWST, který je schopen pozorovat dál a jasněji než jakákoli observatoř doposud.

Tým použil spektrometr středního rozlišení na středním infračerveném přístroji (MIRI) JWST, který umožňuje vědcům mapovat světlo v infračerveném spektru. V červenci 2023 tým zaměřil přístroj na jádro Phoenix a shromáždil 12 hodin infračervených snímků. Hledali specifickou vlnovou délku, která se vyzařuje, když plyn – konkrétně neonový plyn – podstoupí určitou ztrátu iontů. Tento přechod nastává při teplotě kolem 300 000 kelvinů, neboli 540 000 °C – teplotě, která se náhodou nachází v „teplém“ rozsahu, který se vědci snažili detekovat a zmapovat. Tým analyzoval snímky a zmapoval místa, kde byl v centrální galaxii pozorován teplý plyn.

„Tento plyn o teplotě 300 000 stupňů je jako neonové znamení, které září ve specifické vlnové délce světla, a my jsme ho mohli vidět v celém našem zorném poli,“ říká Reefe. „Viděli jsme ho všude.“

Na základě rozsahu teplého plynu v jádru odhaduje tým, že centrální galaxie prochází obrovským stupněm extrémního chlazení a ročně generuje množství ultrachladného plynu, které se rovná hmotnosti asi 20 000 Sluncí. S takovým zásobováním hvězdným palivem tým tvrdí, že je velmi pravděpodobné, že centrální galaxie si skutečně generuje vlastní záblesk tvorby hvězd, a nepoužívá palivo z okolních galaxií.

„Myslím, že poměrně dobře rozumíme tomu, co se děje, pokud jde o to, co generuje všechny tyto hvězdy,“ říká McDonald. „Nerozumíme proč. Ale tato nová práce otevřela novou cestu k pozorování a pochopení těchto systémů.“

Tato práce byla částečně financována NASA.