Astronomer hittar gnista av stjärnfödsel under miljarder år

Credit: X-ray: NASA/CXC/SAO; Optical: NASA/ESA/STScI; IR: NASA/ESA/CSA/STScI/Milisavljevic et al, NASA/JPL/CalTech; Image Processing: NASA/CXC/SAO/J. Schmidt and K. Arcand
Credit: X-ray: NASA/CXC/SAO; Optical: NASA/ESA/STScI; IR: NASA/ESA/CSA/STScI/Milisavljevic et al, NASA/JPL/CalTech; Image Processing: NASA/CXC/SAO/J. Schmidt and K. Arcand

Astronomer har slutfört den största och mest detaljerade studien av vad som får stjärnor att bildas i universums största galaxer, med hjälp av NASA:s Chandra X-ray Observatory och andra teleskop. De blev förvånade över att finna att förhållandena för stjärnbildning i dessa exceptionellt massiva galaxer inte har förändrats under de senaste tio miljarder åren.

”Det som är förvånande här är att det finns många saker som kan ha påverkat stjärnbildningen under de senaste tio miljarder åren”, säger Michael Calzadilla från Massachusetts Institute of Technology (MIT) som ledde studien. ”Men i slutändan handlar den viktigaste drivkraften bakom stjärnbildningen i dessa enorma galaxer egentligen bara om en sak – huruvida den heta gas som omger dem kan svalna tillräckligt snabbt eller inte.”

Galaxhopar är de största objekten i universum som hålls samman av gravitationen och innehåller enorma mängder het gas som syns i röntgenstrålning. Massan av denna heta gas är flera gånger större än den totala massan av alla stjärnor i alla de hundratals galaxer som vanligtvis finns i galaxhopar.

Calzadilla och hans kollegor studerade den ljusaste och mest massiva klassen av galaxer i universum, så kallade ljusaste klustergalaxer, i centrum av 95 kluster av galaxer. De valda galaxklustren är i sig ett extremt urval – de mest massiva klustren i en stor undersökning med hjälp av South Pole Telescope (SPT) – och ligger mellan 3,4 och 9,9 miljarder ljusår från jorden.

Teamet fann att stjärnbildning i de galaxer de studerade utlöses när mängden oordnad rörelse i den heta gasen – ett fysikaliskt begrepp som kallas ”entropi” – faller under ett kritiskt tröskelvärde. Under detta tröskelvärde kyls den heta gasen oundvikligen ned och bildar nya stjärnor.

”Det är imponerande att tänka sig att en enda siffra berättar för oss om miljarder stjärnor och planeter bildades i dessa enorma galaxer, tio miljarder år tillbaka i tiden”, säger medförfattaren Michael McDonald, också från MIT.

Medan andra försök har gjorts för att identifiera drivkrafterna bakom stjärnbildning i så stora galaxer under kosmisk tid, är denna undersökning den första som kombinerar röntgen- och optiska observationer av klustrens centrum över ett så stort antal avstånd. Detta gör det möjligt för forskarna att koppla samman det bränsle som krävs för att stjärnor ska bildas – den heta gas som upptäcktes med Chandra – med den faktiska bildningen av stjärnor efter att gasen svalnat, vilket ses med optiska teleskop, under större delen av universums historia.

Teamet använde även radioteleskop för att studera materialstrålar som skjuts iväg från supermassiva svarta hål i dessa kluster. I en process som kallas ”återkoppling” matas den heta gas som kyls ned för att bilda stjärnor så småningom de svarta hålen, vilket resulterar i jetstrålar och annan aktivitet som värmer upp och ger energi till omgivningen, vilket tillfälligt förhindrar ytterligare nedkylning. När det svarta hålets bränsle tar slut stängs jetstrålarna av och processen börjar om igen.

”Det är som om vi har samlat olika kapitel i boken om stjärnbildning under större delen av universums livstid”, säger medförfattaren Brad Benson, från University of Chicago och Fermilab i Illinois. ”Istället för att skrivas med ord berättas den här historien med röntgenljus, optiskt ljus och radioljus.”

En oväntad aspekt av denna studie är att tidigare arbeten har antytt att andra faktorer än avkylningen av het gas kan spela en större roll för stjärnbildningen i det avlägsna förflutna. För tio miljarder år sedan, under en period som astronomerna kallar ”kosmisk middagstid”, var kollisioner och sammanslagningar av galaxer i kluster mycket vanligare, hastigheten för stjärnbildning var generellt mycket högre och galaxernas supermassiva svarta hål drog in material mycket snabbare.

”Den typ av stjärnbildning som vi ser är anmärkningsvärt konsekvent och närmar sig till och med kosmisk middagstid när den kunde ha överväldigats av andra processer”, säger medförfattaren Lindsey Bleem från Argonne National Laboratory i Illinois. ”Även om universum såg väldigt annorlunda ut på den tiden, så gör inte den utlösande faktorn för att stjärnor ska bildas i dessa galaxer det.”

Tidigare forskare har studerat relativt närliggande kluster och funnit att det krävs en viss nivå av oordning i den heta gasen för att återkoppling från supermassiva svarta hål, i form av jetstrålar, ska uppstå.

Den nya studien av Calzadillas team visade att entropitröskeln för återkoppling dock inte gäller för galaxer i mer avlägsna kluster, vilket skulle kunna innebära att kluster för cirka tio miljarder år sedan inte är lika väl reglerade av återkoppling från svarta hål. Detta är troligt eftersom det tar tid för den heta gasen att börja kylas ned mot den centrala galaxen, och sedan tar det ännu längre tid för den kalla gasen att ta sig till den centrala galaxens supermassiva svarta hål och slutligen för jetstrålar att bildas och förhindra ytterligare nedkylning av gasen.

Det är emellertid också möjligt att radiosignaler inte ger någon tydlig indikation på jetaktivitet vid dessa tidiga tidpunkter.

Detta resultat baseras på röntgendata från NASA:s Chandra X-ray Observatory, radiodata från SPT, Australia Telescope Compact Array och det australiska SKA Pathfinder Telescope, infraröda data från NASA:s WISE-satellit samt flera optiska teleskop. De optiska teleskop som används här är Magellan 6,5-m teleskop, Gemini South Telescope, Blanco 4-m teleskop (DECam, MOSAIC-II) och Swope 1m teleskop. Totalt användes nästan 50 dagar av Chandra-observationstid för detta resultat.

Caldazilla presenterade dessa resultat vid det 243:e mötet för American Astronomical Society i New Orleans. Dessutom är han försteförfattare till en artikel om detta arbete som har skickats in till Astrophysical Journal och som finns tillgänglig på förhandsutskriftsservern arXiv.

Ytterligare information: Michael S. Calzadilla et al, The SPT-Chandra BCG Spectroscopic Survey I: Evolution of the Entropy Threshold for Cooling and Feedback in Galaxy Clusters Over the Last 10 Gyr, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2311.00396

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.