8 Minutės
Neįprasta spiralės forma pasižyminti galaktika, pravardžiuojama Alaknanda, aptikta kosminiame laikotarpyje, kai astronomai tikėjosi matyti daugiausia chaotiškas, dar nevisiškai subrendusias sistemas. Jameso Webbo kosminio teleskopo (JWST) stebėjimai — sustiprinti masyvaus galaktikų spiečiaus natūralios didinimo galios — atskleidė aiškų didelės apimties grand-design spiralę ir intensyvų žvaigždžių formavimą galaktikoje, susiformavusioje maždaug prieš 1,5 milijardo metų nuo Didžiojo sprogimo.
Kodėl Alaknanda stebina
Įprasti galaktikų formavimosi modeliai numato, kad pirmieji vienas ar du milijardai metų po Didžiojo sprogimo buvo dominuojami audringi, nereguliarūs objektai. Tipinės vadovėlinės spiralės galaktikos susiformavimui reikalingas sudėtingas procesų seka: stabilus rotuojantis diskas, apvalus centrinis gumbas ir dvi simetriškos, ilgalaikės spiralės rankos (vadinamoji grand-design spiralė). Tam reikia daugiau laiko nei tik keli šimtai milijonų metų. Iš dujų iš kosminio tinklo turi patekti į halą, jos turi atvėsti ir nusistovėti į rotuojantį diską, o tada lėtai judančios tankio bangos turi susiformuoti ir palaikyti spiralinius raštus. Ankstyvosios didžiųjų susijungimų fazės paprastai sutrikdytų bet kokį tvarkingą diską ir sunaikintų pagalbinę struktūrą.
Alaknanda paneigia šią prognozę. JWST vaizdai atskleidžia dvi aiškiai apibrėžtas spiralės rankas, supančias švytintį gumbą maždaug 30 000 šviesmečių pločiu. Fotometrinė analizė rodo, kad galaktikoje yra maždaug dešimt milijardų Saulės masių žvaigždžių, o dujos į naujas žvaigždes verčiamos nepaprastai greitai — maždaug 60 Saulės masių per metus, tai yra apie dvidešimt kartų daugiau nei dabartinis Paukščių Tako žvaigždžių formavimosi tempas. Apie pusė jos žvaigždinės masės galėjo susiformuoti per maždaug 200 milijonų metų, o tokie tempai kosminiu mastu yra įspūdingai greiti ir priverčia peržiūrėti ankstyvosios Visatos dinaminius procesus.
Be to, tokia aukšta žvaigždžių formavimo sparta (žvaigždžių formavimosi greitis, arba SFR) rodo intensyvų šaltų dujų tiekimą ir galimą trumpalaikį „žvaigždžių protrūkį“ (starburst). Tai sukelia specifinę cheminę evoliuciją ir greitą metalo koncentracijos (metaliciteto) augimą, kuris turi įtakos tolimesniam planetų formavimui ir protoplanetinių diskų savybėms. Stebėjimų metu aptikti regionai galaktikos spiralėse taip pat atspindi skirtingus gyvenimo etapus ir skirtingą dulkių kiekį, kas svarbu vertinant fotometrinius modelius ir atmetant galimus stebėjimo iškraipymus.
Kaip astronomai pamatė tokius detalius vaizdus: JWST ir gravitacinis lęšis
Alaknanda yra paslėpta už Abell 2744 (taip pat žinomo kaip Pandoros karstelė), masyvaus galaktikų spiečiaus, kurio gravitacija iškreipia ir padidina šviesą iš dar tolesnių foninių objektų. Šis gravitacinis lęšinimas leido galaktiką JWST stebėti maždaug dvigubai šviesesnę, suteikdamas papildomą atspirties tašką, reikalingą atskirti smulkesnes struktūras tokioje dideliame raudonosios poslinkio (z) diapazone. Atradimas buvo padarytas giliais JWST vaizdais, panaudojus iki 21 skirtingo filtro artimojo infraraudonojo spektro sritis — tai UNCOVER ir MegaScience tyrimų programų dalis — leidusi gauti tikslius atstumo (fotometriniai raudonosios poslinkio nustatymai), dulkių kiekio, žvaigždinės masės ir žvaigždžių formavimosi istorijos įverčius.
Tokiame darbe labai svarbūs keli aspektai: didelis JWST erdvinis išsprendžiamumas infraraudonajame diapazone, platus spektrinis aprėptis su daugybe filtrų ir didelis jautrumas, o kartu su gravitaciniu lęšinimu tai suteikia unikalią galimybę tyrinėti ankstyvąsias galaktikų struktūras, kurios paprastai būtų per silpnos arba per mažos, kad jas būtų galima išspręsti be papildomos didinimo galios. Fotometrinės kampanijos leidžia modeliuoti žvaigždžių populiacijas, dulkių slėpimą (attenuacija) ir sudaryti laiko priklausomą žvaigždžių formavimo profilį, kuris yra būtinas suprasti galaktikos evoliuciją.
Kairėje: Alaknanda matoma atstovaujant poilsinę (rest-frame) arti-ultravioletinę filtrų kombinaciją. Spiralės rankose esantys žvaigždėdaros regionai formuoja „karoliukų ant siūlo“ raštą, būdingą UV spinduliuotei iš masyvių jaunų žvaigždžių. Dešinėje: Alaknanda poilsinėje optinėje srityje — spiralės rankos matomos silpniau, o pati disko struktūra aiškiai išryškėja. Nuotraukos kreditas: © NASA/CSA/ESA, Rashi Jain (NCRA-TIFR)
Mokslinis kontekstas: ką reiškia grand-design spiralė esant z~3
Atrasti grand-design tipo spiralę, tokią kaip Alaknanda, raudonosios poslinkio diapazone, atitinkančiame maždaug 1,5 milijardo metų nuo Didžiojo sprogimo, verčia pergalvoti galaktikų formavimosi greitį ankstyvojoje Visatoje. Objekto savybės rodo, kad procesai, kaip efektyvus šaltų dujų pritekėjimas (cold gas accretion), greitas disko nusistovėjimas ir galbūt ankstyva spiralinių tankio bangų (density waves) susidarymo veikla, gali vykti daug greičiau arba esant kitokiems aplinkos parametrams nei numato daug teorinių modelių. Tokia netikėta atradimo aplinka verčia tobulinti tiek hidrodinamines, tiek pusiau-analitines simuliacijas.
Diskusijoje yra kelios galimos susiformavimo scenarijos. Vienas jų — lygus, šaltas dujų srautas iš tarpgalaktinės terpės, greitai sukūręs rotacija paremta diską, leidžiantį tankio bangoms sustiprėti ir suformuoti ryškias spiralės rankas. Kitas scenarijus — kad švelnus, tačiau tarpinis tidinis sąveikavimas su mažesne kaimynine galaktika sužadino spiralines struktūras, nors tokios tidinės spiralės dažnai išsisklaido greitai. Taip pat neišvengiama galimybė, kad vidiniai dinaminiai procesai — pvz., greitas kampinio momento perdavimas ar diskų stabilumo savybės — leido ankstyvąją spiralinę simetriją išlaikyti ilgesnį laiką.
Skirti šias alternatyvas galima tik sukinetinių (kinematinių) duomenų pagalba: ar diskas yra dinaminiu požiūriu „šaltas“ (tvarkingai rotuoja, mažas greičių sklaidumas), ar „karštas“ (dominuoja turbulencija ir chaotiški judesiai)? Tolimesnė spektroskopija su JWST, taip pat radijo ir submilimetrų stebėjimai naudojant ALMA bei kitas antenų masyvas leis sukurti dujų judėjimo, molekulinio kuro pasiskirstymo ir greičių lauko žemėlapius. Kinematiniai profiliai suteiks tiesioginį įrodymą apie diskų rotaciją, masės pasiskirstymą ir galimus netvarkingumus ar asimetrijas, kurios gali nurodyti į jungimus ar kitaip dramatiškesnius formavimosi mechanizmus.
Pasekmės galaktikų formavimuisi ir kosminei istorijai
Alaknanda nėra tik vizualiai įspūdinga nuotrauka; tai reikšmingas duomenų taškas su plataus masto pasekmėmis. Jei ankstyvojoje Visatoje galėjo greitai susiformuoti masyvūs, tvarkingai išsidėstę diskai, tai gali perstumti ir žvaigždžių, ir planetų formavimosi laiko linijas. Anksčiau susiformavusių stabiliai nusistovėjusių diskų egzistavimas reiškia, kad protoplanetinės aplinkos ir uolinių planetų sudedamosios dalys galėjo atsirasti anksčiau nei manyta anksčiau, modifikuojant mūsų supratimą apie gyvybei palankias sąlygas kosmologinėje laiko skalėje.
Atrankos duomenys susilieja su kitais neseniai JWST atrastais atvejais, kurie rodo brandesnes, masyvesnes galaktikas aukštame raudonosios poslinkio diapazone nei buvo numatyta daugelio senesnių modelių. Tai verčia teorikus tobulinti skaitmenines simuliacijas, plačiau apimti procesus kaip dujų pritekėjimas (cold flows), vėdinimas ir atvėsinimas, atgalinė sąveika (feedback) iš žvaigždžių ir aktyvių branduolių (AGN), bei efektyvesnį kampinio momento transportą. Observatoriams tai reiškia prioritetą erdvės skiriamąjai spektroskopijai (spatially resolved spectroscopy) ir didelio jautrumo radijo stebėjimams, kad būtų galima išmatuoti rotacinius kreives, greičių dispersiją ir metaliciteto gradientus — diagnostinius parametrus, patvirtinančius, ar Alaknanda susiformavo ramiai, ar per dramatiškesnius įvykius.
Misija ir metodai: kaip padarytas atradimas
Tyrėjai Rashi Jain ir Yogesh Wadadekar iš National Centre for Radio Astrophysics (NCRA-TIFR) Pune, Indijoje, vadovavo analizei, paskelbtiems žurnale Astronomy & Astrophysics. Jie naudojo JWST vaizdus, surinktus UNCOVER ir MegaScience programų, taikydami daugiafiltro fotometriją, kad gautų patikimą fotometrinį raudonosios poslinkio įvertį, žvaigždinę masę, dulkių slopinimą ir laiko intervalu aprėpiamą žvaigždžių formavimosi istoriją. Gravitacinis Abell 2744 lęšinimas padarė įmanoma atskleisti subtilius struktūrinius bruožus, kurie kitu atveju būtų prasilenkę su JWST jautrumo ribomis tokio atstumo objektams.
- Instrumentas: Jameso Webbo kosminis teleskopas (artimojo infraraudonojo srities vaizdavimas)
- Technika: gravitacinio lęšio didinimas + daugiafiltro fotometrija
- Tyrimų programos: UNCOVER, MegaScience (gilaus lauko vaizdai)
- Tolesni žingsniai: JWST spektroskopija, ALMA žemėlapiai šaltoms dujoms
Eksperto įžvalga
„Alaknanda yra tarsi signalas visiems modeliavimo specialistams, dirbantiems su ankstyvųjų galaktikų susidarymu,“ sako dr. Mira Santoro, stebimųjų kosmologė (fikcinė), besidominti aukšto raudonosios poslinkio diskų formavimu. „Aiškus spiralinis raštas ir spartus žvaigždžių formavimosi greitis kartu rodo netikėtai efektyvų šaltų dujų tiekimą ir ankstyvą dinaminį nusistovėjimą. Tolimesnė kinematikos analizė parodys, ar tai išskirtinis atvejis, ar priskiriamas platesnei, anksčiau nepastebėtai populiacijai.“
Kiti žingsniai ir ateities stebėjimai
Trumpalaikės prioritetinės užduotys – spektroskopiniu būdu patvirtinti rotacinį palaikymą ir ištirti dujų dinamiką. JWST spektrografai gali išmatuoti emisijos linijų (pvz., Hα, [O III]) greičius per diską, tuo tarpu ALMA gali žemėlapiuoti molekulines dujas (pvz., CO) ir [C II] emisiją, kuri maitina žvaigždžių formavimąsi. Jei Alaknanda parodys tvarkingą rotaciją su mažu greičių dispersijos lygiu, tai palaikytų scenarijų apie šalto pritekėjimo (cold-accretion) ir ankstyvą disko nusistovėjimą. Priešingu atveju, didelė turbulencija ar asimetriniai judesiai gali rodyti nesenias sąveikas ar greitą vidinę evoliuciją.
Gilesnis kitų lęšiuose esančių laukų bei laukinių (blank) giliųjų laukų vaizdų tyrimas parodys, ar grand-design spiralės panašiame epochų diapazone yra retas reiškinys, ar anksčiau nuvertinta ir plačiau paplitusi evoliucijos fazė. Kiekvienas naujas aptikimas sutankins statistinį vaizdą ir apribos fizinius ingredientus, reikalingus sukurti spiralės struktūrą taip anksti kosminėje istorijoje. Tokie darbai taip pat padeda optimizuoti tolimesnes JWST stebėjimų strategijas, atrenkant tikslus, kur kinematika įgalintų aiškiai atskirti formavimo scenarijus.
Išvados
Alaknanda — aiški, simetriška spiralė, kilusi iš laikotarpio, kai kosmosas dar buvo paauglystėje — meta iššūkį mūsų prielaidoms apie tai, kaip greitai Visatoje gali atsirasti sudėtingumas. Plėtojant JWST ir kitų observatorijų galimybes, tokie atradimai perrašys galaktikų ir žvaigždžių formavimosi laiko grafikus ir privers teorinius modelius įtraukti greitesnius bei efektyvesnius kelius į diskų ir spiralės formavimąsi. Ilgalaikiai ir tarpdisciplininiai stebėjimai, derinant optinius, infraraudonuosius ir radijo duomenis, leis sukurti išsamesnį ankstyvosios Visatos dinamikos ir cheminės evoliucijos paveikslą, kuriame Alaknanda užims vieną iš kertinių vietų.“
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą