Ученые обнаружили, что условия, необходимые для звездообразования, не изменились за миллиарды лет

Астрономы завершили крупнейшее и наиболее детальное исследование того, что приводит к образованию звезд в крупнейших галактиках Вселенной. Исследователи использовали рентгеновскую обсерваторию НАСА "Чандра" и другие телескопы. Ученые обнаружили, что условия для рождения звезд в массивных галактиках не изменились за последние десять миллиардов лет. "Что здесь удивительно, так это то, что существует множество факторов, которые могли повлиять на звездообразование за последние десять миллиардов лет", - сказал автор исследования Майкл Кальзадилья. - "В конце концов, однако, основная движущая сила звездообразования в этих огромных галактиках на самом деле сводится к одному — может ли окружающий их горячий газ достаточно быстро остыть". Скопления галактик содержат огромное количество горячего газа, видимого в рентгеновских лучах. Масса этого горячего газа в несколько раз превышает общую массу всех звезд в сотнях галактик, которые обычно находятся в скоплениях. Кальзадилья и его коллеги изучили самый яркий и массивный класс галактик во Вселенной. Исследуемые галактики находятся в центрах 95 скоплений, которые являются самыми массивными скоплениями в крупномасштабном исследовании с использованием телескопа Южного полюса (SPT). Скопления расположены на расстоянии от 3,4 до 9,9 миллиардов световых лет от Земли.

Команда обнаружила, что звездообразование в изучаемых ими галактиках запускается, когда количество неупорядоченного движения в горячем газе падает ниже критического порога. Ниже этого порога горячий газ неизбежно охлаждается, образуя новые звезды.

Это исследование является первым, в котором объединены рентгеновские и оптические наблюдения центров скоплений на таком большом диапазоне расстояний. Это позволяет исследователям связать топливо, необходимое для образования звезд, — горячий газ, обнаруженный с помощью телескопа "Чандра", — с фактическим образованием звезд после остывания газа, наблюдаемым с помощью оптических телескопов.

Команда также использовала радиотелескопы для изучения струй (джетов), выбрасываемых из сверхмассивных черных дыр в этих скоплениях. В процессе, называемом "обратной связью", горячий газ, который охлаждается с образованием звезд, питает черные дыры. Это приводит к образованию струй и другой активности, которая нагревает и заряжает энергией их окружение, временно предотвращая дальнейшее охлаждение. Когда в черной дыре заканчивается топливо, джеты выключаются, и процесс начинается снова.

Неожиданным аспектом этого исследования является то, что предыдущие работы предполагали, что другие факторы, помимо охлаждения горячего газа, могли играть большую роль в звездообразовании в далеком прошлом. Десять миллиардов лет назад столкновения и слияния галактик в скопления были гораздо более распространенными, скорость звездообразования, как правило, была намного выше, а сверхмассивные черные дыры галактик втягивали вещество гораздо быстрее.

"Тип звездообразования, который мы наблюдаем, удивительно постоянен, даже приближаясь к космическому полудню, когда он мог быть подавлен другими процессами", - сказала соавтор Линдси Блим из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе. - "Хотя тогда Вселенная выглядела совсем по-другому, триггера для образования звезд в этих галактиках нет".

Изучая относительно близлежащие скопления, предыдущие исследователи также обнаружили, что пороговый уровень энтропии в горячем газе необходим для возникновения обратной связи от сверхмассивных черных дыр в виде струй.

Это новое исследование, проведенное командой Кальзадильи, показало, что порог энтропии для обратной связи, однако, неприменим к галактикам в более отдаленных скоплениях, что может означать, что скопления около десяти миллиардов лет назад не так хорошо регулировались обратной связью с черными дырами. Это возможно, потому что требуется время для того, чтобы горячий газ начал охлаждаться в центральной галактике, а затем еще больше времени для того, чтобы этот холодный газ добрался до сверхмассивной черной дыры центральной галактики и, наконец, для образования струй, предотвращающих дальнейшее охлаждение газа.

Однако также возможно, что радиосигналы не дают четкого указания на активность струй в эти ранние периоды.

Подавление формирования звезд активно происходило и в ранней Вселенной

Массивные скопления галактик, некоторые из которых имеют массу свыше 100 масс Млечного пути, были обнаружены во Вселенной уже спустя всего лишь три миллиарда лет после Большого взрыва. Непрерывно протекающие в них процессы формирования звезд делают их достаточно яркими для обнаружения с таких больших расстояний. Существование таких скоплений галактик было предсказано при моделировании космологической эволюции, однако их свойства имеют большую неопределенность. Астрономы, изучающие эволюцию звезд во Вселенной, проявляют особый интерес к этим скоплениям галактик из-за обилия в них звезд и высокой активности. Звездообразование является неустойчивым процессом. На него могут оказывать влияние как внешние процессы, такие как столкновение с другой галактикой, так и внутренние, например, формирование молодыми массивными звездами звездных ветров и сверхновых, которые расталкивают облака молекулярного газа и снижают скорость звездообразования. Вместе с джетами активных сверхмассивных черных дыр эти звездные ветра и сверхновые могут даже привести к прекращению формирования звезд в галактике – ее затуханию. В новом исследовании астрономы из научной команды телескопа South Pole Telescope (SPT) открыли и изучили несколько массивных скоплений галактик ранней Вселенной, существовавших через 4,5 миллиарда лет после Большого взрыва. 

Исследование показало, что даже в эту раннюю эпоху, когда во всей Вселенной зажигались новые звезды, в галактиках, расположенных в центральных областях массивных скоплений галактик, звездообразование было подавлено.

Работа опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics; главный автор В. Страццулло (V. Strazzullo).

Зафиксирован мощный отток водорода из ММО

Астрономы Австралийского национального университета зафиксировали мощный отток водорода из Малого Магелланова Облака (ММО). Так называется карликовая галактика, которая является спутником Млечного Пути наряду с Большим Магеллановым Облаком (БМО). Потеря межзвездного вещества способствует прекращению звездообразования. Об этом сообщает издание Science Alert. ММО находится в 200 тысячах световых лет от Земли, а его диаметр достигает 7 тысяч световых лет, что более чем в 10 раз меньше диаметра Млечного Пути. Он гравитационно связан с БМО и соединен с ним «мостом» из межзвездного газа, который возник из-за приливных сил. Карликовая галактика имеет большое количество рентгеновских двойных звезд и массивных звезд. Исследователи провели наблюдения за ММО с помощью австралийского радиоинтерферометра ASKAP. Они оценили объемы уходящего из галактики атомарного водорода — основного компонента, необходимого для звездообразования. Отток холодного газа происходит из центральной перемычки, где новые звезды еще появляются. Он простирается на 6523 световых года и сформировался, по оценкам, 25-60 миллионов лет назад. Масса уходящего газа составляет 10 миллионов масс Солнца (три процента от общей массы ММО). 

Причиной возникновения оттока является процесс, называемый звездной обратной связью. Крупные звезды выбивают газ за пределы галактики за счет звездного ветра и вспышек сверхновых. При этом количество газа на порядок превышает скорость образования звезд. Хотя этот процесс в конечном итоге уничтожит ММО, он питает Магелланов Поток — цепочку облаков газа, протянувшихся до Южного полюса Млечного Пути.

Звездообразование в далеких скоплениях галактик

Первые звезды появились примерно спустя сто миллионов лет после Большого взрыва, и с тех пор во Вселенной продолжали зажигаться все новые и новые звезды. Максимум звездообразования был достигнут спустя примерно три миллиарда лет после Большого взрыва, когда скорость образования новых звезд превышала текущую скорость образования новых звезд во Вселенной примерно в десять раз. О причинах такого феноменального ускорения звездообразования и особенностях протекания звездообразовательных процессов в этот период истории Вселенной рассуждают исследователи в новой работе.

Галактическое окружение оказывает большое влияние на скорость звездообразования. Исследования локальной Вселенной демонстрируют, например, что в областях пространства с высокой плотностью материи, таких как скопление галактик, скорость звездообразования снижена, что объясняется выталкиванием нейтрального газа – «сырья» для новых звезд – в межгалактическое пространство за счет многочисленных взаимодействий между галактиками. В далекой Вселенной, однако, картина выглядит сложнее – в ряде исследований было показано, что в галактиках, входящих в состав далеких галактических скоплений, скорость звездообразования может быть выше, чем в одиночных галактиках со схожими характеристиками.

В новой работе исследователи из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США, во главе с Мэттом Эшби смогли продемонстрировать, что в очень плотных галактических скоплениях ранней Вселенной скорость звездообразования не снижена, а, напротив, значительно повышена и составляет до нескольких тысяч новых звезд в год сверх обычного для таких галактик уровня скорости звездообразования. Также в ходе исследования ученые открыли, что скорость звездообразования повышена у внешней части скопления галактик в полосе шириной порядка 15 миллионов световых лет. Эти открытия были сделаны при помощи инфракрасных космических телескопов «Гершель» и «Планк» ЕКА.