8 Minutės
Įsivaizduokite kosmosą, kuris anksčiau degė palyginti gausiu žvaigždžių gimimu, o dabar pamažu blanksta senstant. Naujas tyrimas, kuriam vadovavo britų Kolumbijos universiteto astronomai, rodo, kad Visata jau yra peržengusi savo produktyviausią žvaigždžių formavimosi epochą ir lėtai atvėsta — pokytis, dėl kurio naujų žvaigždžių taps vis mažiau. Šis pokytis turi reikšmingas pasekmes mūsų supratimui apie galaktikų evoliuciją, cheminę aprūpinimą ir ilgalaikes gyvybės galimybes Visatoje.
Visata, praėjusi savo aukštumą
175 astronomų komanda sujungė du galingus observatorijų rinkinius — Europos kosmoso agentūros (ESA) Euclid kosminio teleskopo ir Herschel infraraudonųjų spindulių palydovo duomenis — ir sudarė didžiausią iki šiol galaktikų imtį: apie 2,6 milijono galaktikų. Remdamiesi kosminės dulksnos temperatūros matavimais per šią milžinišką duomenų bazę, tyrėjai atkūrė, kaip galaktikų aplinka ir vidiniai procesai kito per kosminį laiką. Tai leidžia tiesiogiai susieti stebimam šiluminiam pikui ir vėlesniam atšalimui su žvaigždžių susidarymo istorija (star formation history) ir su ankstesnių epochų fiziką.
„Nuo šiol Visata tik atvėsta ir tampa nykesnė“, — sako Douglas Scott, kosmologas iš Britų Kolumbijos universiteto ir vienas tyrimo bendraautorių. Ši griežta frazė apibendrina pagrindinę išvadą: vidutinė dulkių temperatūra galaktikose mažėjo pastaruosius milijardus metų. Tai rodo ilgalaikį sumažėjimą sąlygų, skatinančių masinių žvaigždžių formavimąsi, t. y. mažiau karštų, jaunų žvaigždžių, kurie kaitintų tarpžvaigždinę terpę.
Tyrimo rezultatų kontekste svarbu paminėti vadinamąjį „kosminį pietų laikotarpį“ arba "cosmic noon" — epochą maždaug prieš 8–11 milijardų metų (tai atitinka raudonį z~2), kai Visata pasiekė savo didžiausią žvaigždžių formavimosi intensyvumą. Šis naujas darbas siūlo platesnį ir detalesnį vaizdą, stebint, kaip nuo tos aukštumos atsirado ilgalaikis atšalimas.
Kaip Euclid ir Herschel atskleidė atvėsimo tendenciją
Duomenų gylis ir imties dydis
Anksčiau atlikti stebėjimai dažnai trūko arba jautrumo, arba aprėpties, todėl jie negalėjo vienu metu objektyviai užfiksuoti tiek karštų, aktyvių galaktikų, tiek šaltesnių, ramiau elgančiųsi sistemų. Euclid tiekia plačius, gilius optinius ir arti-infraraudonųjų spindulių vaizdus, leidžiančius nustatyti galaktikų struktūrą, raudonį (redshift) ir žvaigždžių masę, tuo tarpu Herschel fiksavo tolimųjų infraraudonųjų spindulių ilgį, jautrų dulkėms šiluminiam spinduliavimui. Kartu šie du instrumentai leido tiksliai išmatuoti dulkės temperatūras milijonuose galaktikų ir taip pašalinti svarbią neapibrėžtį, kuri anksčiau ribojo statistinį stiprumą.
Didelė imtis taip pat sumažina asortyvinius (selection) šališkumus: apimant platų raudonių ir masių spektrą, mokslininkai gali palyginti skirtingas galaktikų populiacijas, išskirti aktyvumo (star-forming) ir pasyvias (quiescent) sistemas bei nustatyti, kiek pokyčių yra universalūs, o kiek priklauso nuo vietinių sąlygų, pvz., aplinkos tankumo arba centrinių juodųjų skylių (AGN) poveikio.
Kodėl dulkės temperatūra yra esminis rodiklis
Galaktikų dulkių dalelės sugeria žvaigždžių spinduliuotę ir ją perspindžiuoja infraraudonųjų spindulių diapazone. Karštesnės dulkės paprastai rodo aktyvų, masyvų žvaigždžių formavimąsi, nes intensyvus ultravioletinis ir optinis švytėjimas iš jaunų žvaigždžių kaitina aplinkines daleles. Atvirkščiai, šaltesnės dulkės paprastai siejamos su vyresnėmis žvaigždžių populiacijomis arba su mažėjančia žvaigždžių susidarymo veikla. Todėl dulkės temperatūra veikia kaip tarpinis rodiklis (proxy), leidžiantis įvertinti Visatos žvaigždžių formavimo aktyvumą per laiką.
Fizinė interpretacija remiasi termodinamine spinduliavimo modeliavimu: dulkės spinduliuoja kaip modifikuotas Juodas kūnas (modified blackbody), kurio temperatūra ir emisijos koeficientas (emissivity, dažnai žymimas β) nulemia spektrinę šiluminę išlydį. SED (spektrinės energijos pasiskirstymo) pritaikymas, naudojant daugiabanginius (multiwavelength) matavimus, leidžia atskirti dulkės temperatūrą, bendrą dulkės masę ir skirtingus šilumos šaltinius — nuo žvaigždžių iki aktyvių branduolių (AGN).
Rezultatai: nuoseklus kosminės šilumos mažėjimas
Tyrėjai nustatė, kad maždaug prieš 10 milijardų metų — kai Visatai buvo apie 3 milijardus metų — vidutinė dulkės temperatūra siekė apie 35 K (~-238 °C). Nors pagal žmogaus standartus tai yra itin šalta, ši reikšmė buvo reikšmingai aukštesnė nei vertės, fiksuotos vėlesnėse epochose. Per pastaruosius milijardus metų tiek vidutinė dulkės temperatūra, tiek dulkės masė galaktikose krito, atspindėdamos mažesnį masyvių žvaigždžių formavimosi dažnį. Tai reiškia, kad mažėja karštų jaunų žvaigždžių skaičius, galinčių šildyti tarpžvaigždinę terpę.
Svarbu pažymėti, jog tokie rezultatai grindžiami plačiu raudenių (redshift) skaliu ir daugiabangine fotometrija. Matavimuose mokslininkai naudoja duomenų susiejimą (cross-matching) tarp optinių Euclid katalogų ir Herschel far-infraraudonųjų spindulių matavimų, kartais papildomai taikydami krūvinius (stacking) metodus silpniau fiksuojamoms galaktikoms. Tai leidžia sumažinti triukšmą ir išgauti vidutines savybes net tose srityse, kur atskiri signalai yra silpnesni.
Tyrimo vyriausias autorius Riley Hill pažymi: „Euclid aprėptis leidžia mums matuoti dulkės temperatūras su preciziškumu, kuris pašalina didelę dalį diskusijų. Dabar galime atsekti, kaip svarbi žvaigždžių formavimosi sudedamoji dalis blėsta per kosminį laiką.“ Ši patikimumo plėtra atveria galimybę riboti teorijas apie galaktikų vykstančius procesus ir tiksliau identifikuoti priežastinius mechanizmus.
Tuo pačiu metu tyrėjai atkreipia dėmesį į matavimo nejautrumo šaltinius: ne visur emisijos prielaidos (pvz., dulkės emisijos indeksas β) vienodos, AGN gali prisidėti prie dulkės įkaitinimo vietinėse srityse, o žvaigždžių formavimąsi daug kur riboja dujų tiekimo apribojimai. Vis dėlto didelė imtis ir kelių bangų ilgiai suteikia patikimą vaizdą apie bendrą kosminį trendą.
Pasekmės galaktikoms, planetoms ir kosminei ateičiai
Žvaigždės yra cheminių elementų ir planetinių sistemų gamyklos. Masyvios žvaigždės sintezuoja sunkesnius elementus savo viduje, o supernovų sprogimai išmeta šiuos elementus į erdvę kaip dulkes ir dujas, kurios vėliau formuoja naujas žvaigždes ir planetas. Ilgalaikis žvaigždžių susidarymo mažėjimas keičia galaktikų cheminę evoliuciją: mažėja sunkiųjų elementų tiekimas (metallicity enrichment), todėl naujos kartos žvaigždės ir planetos gali turėti mažesnį sunkiųjų elementų kiekį, svarbų akrecijai ir planetų uolienoms bei atmosferoms formuotis.
Šis tendencingas atšalimas taip pat turi pasekmių potencialioms gyvybės zonoms (habitable zones) tolimoje ateityje. Jei žvaigždžių formavimosi tempas ilgainiui reikšmingai sumažės, naujų Saulės tipo žvaigždžių ir jų planetinių sistemų susidarys mažiau, todėl ilgesniu laikotarpiu gali sumažėti ir naujų tinkamų gyvenamųjų pasaulių atsiradimo tikimybė. Vis dėlto tai nereiškia, kad žvaigždės „išnyks per naktį“: žvaigždžių formavimas tęsiasi, ypač dujų gausiose galaktikų dalyse arba regionuose, kur galaktikos sąveikauja ir susidaro intensyvios sprogstamosios žvaigždžių formavimosi sritys.
Kosmologiniu mastu tokia tendencija rodo pereinamą Visatą į tamsesnį, šaltesnį būsena — žvaigždžių gimimas tampa vis retesnis. Jei ši trajektorija išsilaikys per ateinančius trilijonus metų, ji fundamentaliai nulems, kaip atrodys Visata tolimiausiuose laiko skalėse: mažiau aktyvių galaktikų, mažesnė spinduliuotės foninė šiluma ir sulėtėjęs cheminis atsinaujinimas.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Elena Moreno, astrofizikė, nedalyvavusi tyrime, pateikia kontekstą: „Šis darbas sujungia dvi papildančias observatorijas ir demonstruoja nuoseklų vaizdą: sąlygos, palankios intensyviam žvaigždžių formavimuisi, silpnėja. Tai priminimas, kad Visata turi savo gyvavimo ciklą — mes ją stebime jos vidurio amžiuje: kai kuriose srityse ji vis dar gyvybinga, tačiau globaliai ji vėsta.“
Tyrimas taip pat akcentuoja daugbangius (multiwavelength) tyrimus kaip esminę priemonę suprasti galaktikų evoliuciją. Tik kombinuodami optinius, arti-IR ir tolimuosius IR duomenis mokslininkai gali atskirti įvairius šilumos šaltinius, įvertinti dulkės masę bei temperatūrą ir susieti juos su žvaigždžių formavimosi greičiu (SFR) bei dujų atsargomis (gas reservoirs).
Ateities stebėjimai, tokie kaip gilios spektrinės apklausos radijo ir milimetriniuose diapazonuose (pvz., ALMA, SKA) arba tolesnės infraraudonųjų spindulių misijos, leis išsamiau ištirti fizinius variklius už ilgalaikio atvėsimo tendencijos: ar tai daugiausia dujų išeikvojimas, ar aktyviųjų branduolių grįžtamoji sąveika (AGN feedback), ar pakitę galaktikų sujungimų (merger) dažniai ir poveikis. Tokių detalesnių duomenų reikės, kad būtų galima aiškiai atskirti kiekvieno mechanizmo svarbą.
Techniniu požiūriu, tyrimo stiprybė yra statistinė galia ir daugiabangė aprėptis. Tačiau dar lieka darbo: fizinių modelių patikrinimas, molekulinės dujos (CO, [CII]) stebėjimai, siekiant išmatuoti tiesioginį žaliavinių dujų kiekį, ir aukštos erdvinės skiriamosios gebos stebėjimai, leidžiantys pamatyti, kurioje galaktikų dalyje dujos virsta žvaigždėmis arba yra išmetamos.
Galiausiai, šio tyrimo reikšmė yra dvejopa: jis ne tik apibūdina Visatos temperatūrinį bei žvaigždžių formavimo pokytį per laiką (kosminę istoriją), bet ir suteikia atraminį tašką modeliavimo darbams, kurie bando sujungti mikrofiziką (žvaigždžių gimimo procesus, dulkės fizikas) su makroskopiniais savo laikotarpio poveikiais (tarpgalaktinėms sąlygoms, aplinkai bei kosminei evoliucijai). Tokiu būdu šie rezultatai stiprina mūsų gebėjimą modeliuoti ir prognozuoti, kas nutiks Visatai ateinančiais milijardais ir trilijonais metų.
Apibendrinant, Euclid ir Herschel duomenų sintezė atveria platesnį ir detalesnį supratimą apie tai, kaip globalūs fizikinių procesų pokyčiai formuoja galaktikas ir jų galimybes gaminti naujas žvaigždes. Tai vienas iš žingsnių link visapusiškesnio Visatos gyvavimo ciklo įvertinimo ir prognozavimo, o tolesni darbai gilinant dujų fizikos, AGN poveikio ir aplinkos sąveikų tyrimus dar labiau sustiprins mūsų žinias.
Šaltinis: smarti
Palikite komentarą