Dane z satelity Herschel łączą tajemnicze wiatry kwazarów z gwałtownymi wybuchami gwiazd

Astronomowie wykorzystali kosmiczne obserwatorium Herschela, aby rozwiązać nurtującą ich od dziesięcioleci zagadkę pochodzenia potężnych, chłodnych wiatrów gazowych w gorącym otoczeniu kwazarów. Dowody łączące te potężne wiatry z formowaniem się gwiazd w galaktykach, w których znajdują się kwazary, mogą również pomóc w rozwiązaniu zagadki, dlaczego rozmiar galaktyk we Wszechświecie wydaje się być ograniczony.

Od czasu odkrycia w latach ‘60, kwazary stały się skarbnicą pytań, na które mieli odpowiedzieć astronomowie. Owe źródła energetyczne – do 10 000 razy jaśniejsze niż Droga Mleczna – są jądrami odległych galaktyk z supermasywnymi czarnymi dziurami w swoich wnętrzach. Gdy gaz jest pociągany do dysku akrecyjnego w kierunku czarnej dziury, rozgrzewa się do bardzo wysokich temperatur i emituje energię w całym spektrum elektromagnetycznym, od promieniowania radiowego po X – w ten sposób rodzi się charakterystyczna jasność kwazaru.

Przez pięć dekad astronomowie badali spektrum kwazarów, aby odkryć pochodzenie emitowanego promieniowania elektromagnetycznego i prześledzić drogę, jaką przebyło światło aby do nas dotrzeć.

Cennym narzędziem do zrozumienia tej podróży są linie absorpcyjne widm promieniowania kwazarów. Linie te wskazują zakres długości fal, które zostały zaabsorbowane, gdy promieniowanie podróżowało od źródła do obserwatora, dając wskazówki dotyczące materii, przez jaką przechodziło. Z biegiem czasu badania tych linii pozwoliły prześledzić skład galaktyk i chmur gazowych, które leżą między nami a tymi odległymi świetlnymi obiektami, ale jeden zestaw linii absorpcyjnych pozostaje niewyjaśniony.

Astronomowie zaobserwowali linie absorpcyjne w wielu kwazarach, które wskazują na pochłanianie w drodze przez chłodny gaz z ciężkimi pierwiastkami, takimi jak węgiel, magnez i krzem. Linie te sygnalizują, że światło przechodziło przez wiatry zimnego gazu podróżując z prędkością tysięcy kilometrów na sekundę w galaktykach zawierających kwazary. Chociaż wiedza, że wiatry istnieją, nie jest niczym nowym, ich pochodzenie oraz fakt, dlaczego są w stanie osiągnąć tak imponujące prędkości, pozostają nieznane.

Teraz astronom Peter Barthel i jego doktorant Pece Podigachoski, obydwaj z Groningen University Kapteyn Institute, wraz ze współpracownikami – Belinda Wilkes z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (USA) i Martin Haas z Ruhr-Universität Bochum (Niemcy) – rzucają światło na pochodzenie zimnych wiatrów. Korzystając z danych uzyskanych z obserwatorium Herschela, po raz pierwszy wykazali, że wytrzymałość linii absorpcyjnych metalu jest powiązana z szybkością formowania się gwiazd w galaktyce zawierającej kwazar. Poszukując tej tendencji, astronomowie są w stanie powiedzieć z pewnym przekonaniem, że formowanie się gwiazd w galaktyce zawierającej kwazar może być mechanizmem napędzającym te tajemnicze i potężne wiatry.

„Identyfikacja tej tendencji do dużego formowania się gwiazd, która ściśle jest powiązana z potężnymi wiatrami kwazarowymi, jest dla nas ekscytującym odkryciem. Naturalnym wytłumaczeniem tego jest fakt, że wiatry są napędzane wybuchami gwiazd i wytwarzane przez supernowe, które znane są z wielkiej częstotliwości w okresach ekstremalnego powstawania gwiazd” – wyjaśnia Pece Podigachoski.

Ten związek nie tylko rozwiązuje jedną zagadkę dotyczącą kwazarów, ale może również przyczynić się do odkrycia jeszcze większej tajemnicy: dlaczego rozmiary galaktyk obserwowanych we Wszechświecie wydają się być ograniczone, chociaż teoria tego nie przewiduje.

„Oprócz pytania o to, które procesy są odpowiedzialne za wiatry gazowe, ich efekt netto jest bardzo ważnym tematem w dzisiejszej astrofizyce. Chociaż teorie przewidują, że one mogą rosnąć do bardzo dużych rozmiarów, nie zaobserwowano olbrzymich galaktyk. Wydaje się, że istnieje proces, który działa jak hamulec na tworzenie takich galaktyk: na przykład mogą być za to odpowiedzialne wiatry gazowe” – wyjaśnia Peter Barthel.

Teoria przewiduje, że galaktyki powinny być w stanie urosnąć do masy stukrotnie większej, niż kiedykolwiek obserwowano. Fakt, że we Wszechświecie występuje deficyt „potworów”, oznacza, że istnieje proces wyczerpujący rezerwy galaktycznego gazu, zanim te będą w stanie osiągnąć swój pełny potencjał. Istnieją dwa mechanizmy, które mogą prowadzić do tego wyczerpania się gazu: pierwszy to wiatry supernowej powiązane z wybuchami gwiazd, a drugi to wiatry związane z supermasywną czarną dziurą, która znajduje się w sercu każdego kwazaru. Chociaż obydwa mechanizmy odgrywają rolę, dowody zależności między wiatrem zimnego gazu a tempem powstawania gwiazd znalezione przez zespół sugerują, że w przypadku kwazarów, tworzenie gwiazd, które wymaga stałej odstawy zimnego gazu, może być kluczowym winowajcą w ocaleniu galaktyki gazu i tłumieniu jej zdolności do wzrostu następnej generacji gwiazd.

„Jest to ważny wynik dla nauki o kwazarach opierający się na wyjątkowych możliwościach Herschela obserwującego światło w dalekiej podczerwieni oraz na falach submilimetrowych, umożliwiając szczegółową wiedzę na temat szybkości powstawania gwiazd w obserwowanych galaktykach, które były potrzebne do tego odkrycia” – wyjaśnia Göran Pilbratt, Herschel Project Scientist w ESA. 

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
HERSCHEL DATA LINKS MYSTERIOUS QUASAR WINDS TO FURIOUS STARBURSTS

Źródło: ESA

Na zdjęciu: Wizja artystyczna głośnego radiowo kwazara w galaktyce formującej gwiazdy. Źródło: ESA/C. Carreau