Komunikat prasowy

ALMA i VLT znalazły zbyt wiele masywnych gwiazd w bliskich i dalekich galaktykach gwiazdotwórczych

4 czerwca 2018

Astronomowie korzystający z ALMA i VLT odkryli, że zarówno galaktyki gwiazdotwórcze we wczesnym Wszechświecie, jak i obszary gwiazdotwórcze w pobliskich galaktykach zawierają znacznie większą proporcję masywnych gwiazd niż w przypadku bardziej spokojnych galaktyk. Wyniki te są wyzwaniem dla obecnych teorii na temat ewolucji galaktyk i zmieniają nasze zrozumienie kosmicznej historii powstawania gwiazd oraz tworzenia pierwiastków.

Zespół naukowców, którym kierował Zhi-Yu Zhang, astronom z University of Edinburgh, zbadał odległy Wszechświat przy pomocy Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), aby to sprawdzić proporcje ilości masywnych gwiazd w czterech dalekich, bogatych w gaz galaktykach gwiazdotwórczych [1]. Galaktyki te widzimy w stadium, gdy Wszechświat był dużo młodszy niż obecnie, więc takie niemowlęce galaktyki raczej nie powinny przejście wielu poprzednich okresów formowania gwiazd, które mogłyby zaburzyć wyniki.

Zhang i jego zespół opracowali nową technikę — odpowiednik datowania radiowęglowego (znanego także jako metoda datowania węglem C-14) — do zmierzenia ilości różnych rodzajów tlenku węgla w czterech bardzo dalekich, wypełnionych pyłem, galaktykach gwiazdotwórczych [2]. Naukowcy obserwowali stosunek dwóch rodzajów tlenu węgla zawierających różne izotopy [3].

“Izotopy węgla i tlenu mają różne pochodzenie”, wyjaśnia Zhang. „¹⁸O jest produkowany bardziej w gwiazdach masywnych, a ¹³C bardziej w gwiazdach o masach małych i średnich.” Dzięki nowej technice zespół był wstanie spojrzeć przez pył w galaktykach i po raz pierwszy ocenić masy ich gwiazd.

Masa gwiazdy jest najważniejszym czynnikiem determinującym sposób w jaki ewoluuje. Gwiazdy masywne świecą jasno i mają krótkie życie, a mniej masywne, takie jak Słońce, świecą bardziej umiarkowanie przez miliardy lat. Znajomość proporcji gwiazd o różnych masach, które formują się w galaktykach, pomaga astronomom w zrozumieniu powstawania i ewolucji galaktyk w trakcie historii Wszechświata. W konsekwencji, daje to kluczowy wgląd w pierwiastki chemiczne dostępne do powstawania nowych gwiazd i planet, a w końcu także w liczbę czarnych dziur, które mogą łączyć się, aby utworzyć supermasywne czarne dziury, które obserwujemy w centrach wielu galaktyk.

Współautorka Donatella Romano z INAF-Astrophysics and Space Science Observatory w Bolonii wyjaśnia co takiego znaleziono: „Stosunek ¹⁸O do ¹³C był około 10 razy większy w galaktykach gwiazdotwórczych we wczesnym Wszechświecie niż jest w galaktykach takich jak Droga Mleczna, co oznacza że w tych pierwszych jest znacznie większa proporcja gwiazd masywnych.”

Wyniki z ALMA są zgodne z innym odkryciem w lokalnym Wszechświecie. Zespół, którym kierował Fabian Schneider z University of Oxford (Wielka Brytania), wykonał spektroskopowe pomiary przy pomocy należącego do ESO Bardzo Dużego Teleskopu (VLT), które objęły 800 gwiazd w gigantycznym obszarze gwiadzotwórczym 30 Doradus w Wielkim Obłoku Magellana, aby sprawdzić całkowity rozkład wieku gwiazd i ich początkowych mas [4].

Schneider wyjaśnia: “Znaleźliśmy około 30% więcej gwiazd o masach ponad 30 razy większych niż masa Słońca, niż się spodziewano, oraz około 70% więcej niż oczekiwano o masach przekraczających 60 mas Słońca. Nasze wyniki stanowią wyzwanie dla wcześniej przewidywanego limitu 150 mas Słońca jako maksymalnej masy w trakcie narodzin gwiazd, a nawet sugerują, że gwiazdy mogą rodzić się z masami do 300 mas Słońca!”

Rob Ivison, współautor nowej publikacji ALMA, podsumowuje: „Nasze wyniki prowadzą do zakwestionowania obecnego zrozumienia kosmicznej historii. Astronomowie opracowujący modele Wszechświata muszą teraz ponownie powrócić do desek kreślarskich.”

Uwagi

[1] Galaktyki gwiazdotwórcze to takie, które przechodzą epizod bardzo intensywnego formowania gwiazd. Tempo, w którym powstają nowe gwiazd może być 100 i więcej razy większe niż w naszej rodzimej galaktyce Drodze Mlecznej. Masywne gwiazd w tych galaktykach wytwarzają promieniowanie jonizujące, wypływy gwiazdowe i wybuchy supernowych, które znacząco wpływają na dynamiczną i chemiczną ewolucję ośrodka wokół nich. Badanie rozmieszczenia mas gwiazd w tych galaktykach może nam powiedzieć więcej o ich ewolucji, a także o ewolucji Wszechświata bardziej ogólnie.

[2] Metoda datowania radiowęglowego jest wykorzystywana do ustalania wieku obiektów zawierających materię organiczną. Mierząc ilość ¹⁴C, który jest izotopem radioaktywnym o nieustannie zmniejszającej się ilości, można obliczyć kiedy zwierzę lub roślina umarło. Izotopy używane w badaniach ALMA, ¹³C oraz ¹⁸O, są stabilne i ich ilość stopniowo wzrasta podczas życia galaktyki, gdyż są syntetyzowane w reakcjach termojądrowych wewnątrz gwiazd.

[3] Takie różne formy cząsteczek zwane są izotopologami i mogą różnić się liczbą neutronów. Molekuły tlenku węgla, wykorzystywane w tych badaniach, są przykładem właśnie takich rodzajów cząsteczek, ponieważ stabilny izotop węgla może mieć 12 albo 13 nukleonów w swoim jądrze, a stabilny izotop tleny może mieć 16, 17 lub 18 nukleonów.

[4] Naukowcy z grupy Schneider et al. wykonali spektroskopowe obserwacje indywidualnych gwiazd w 30 Doradus, obszarze gwiazdotwórczym w pobliskim Wielkim Obłoku Magellana, przy pomocy Fibre Large Array Multi Element Spectrograph (FLAMES) na Bardzo Dużym Teleskopie (VLT). Badania te były jednymi z pierwszych na tyle szczegółowych, że pokazały, iż Wszechświat jest zdolny produkować obszary gwiazdotwórcze o rozkładach masy różnych niż w Drodze Mlecznej.

Więcej informacji

Wyniki z ALMA zostały opublikowane w artykule pt. „Stellar populations dominated by massive stars in dusty starburst galaxies across cosmic time”, który ukaże się 4 czerwa 2018 r. w Nature. Z kolei rezultaty z VLT zawarto w artykule pt. „An excess of massive stars in the local 30 Doradus starburst”, który ukazał się 5 stycznia 2018 r. w Science.

Skład zespołu badawczego ALMA: Z. Zhang (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Edinburgh, Wielka Brytania; European Southern Observatory, Garching bei München, Niemcy), D. Romano (INAF, Astrophysics and Space Science Observatory, Bologna, Włochy), R. J. Ivison (European Southern Observatory, Garching bei München, Niemcy; Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Edinburgh, Wielka Brytania), P .P. Papadopoulos  (Department of Physics, Aristotle University of Thessaloniki, Thessaloniki, Grecja; Research Center for Astronomy, Academy of Athens, Ateny, Grecja) oraz F. Matteucci (Trieste University; INAF, Osservatorio Astronomico di Trieste; INFN, Sezione di Trieste, Trieste, Włochy)

The VLT team is composed of: F. R. N. Schneider ( Department of Physics, University of Oxford, Wielka Brytania), H. Sana (Institute of Astrophysics, KU Leuven, Belgia), C. J. Evans (UK Astronomy Technology Centre, Royal Observatory Edinburgh, Edinburgh, Wielka Brytania), J. M. Bestenlehner (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Niemcy; Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, Wielka Brytania), N. Castro (Department of Astronomy, University of Michigan, USA), L. Fossati (Austrian Academy of Sciences, Space Research Institute, Graz, Austria), G. Gräfener (Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn, Niemcy), N. Langer (Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn, Niemcy), O. H. Ramírez-Agudelo (UK Astronomy Technology Centre, Royal Observatory Edinburgh, Edinburgh, Wielka Brytania), C. Sabín-Sanjulián (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de La Serena, Chile), S. Simón-Díaz (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife, Hiszpania; Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Tenerife, Hiszpania),  F. Tramper (European Space Astronomy Centre, Madrid, Hiszpania), P. A. Crowther (Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, Wielka Brytania), A. de Koter (Astronomical Institute Anton Pannekoek, Amsterdam University, Netherlands; Institute of Astrophysics, KU Leuven, Belgia), S. E. de Mink (Astronomical Institute Anton Pannekoek, Amsterdam University, Holandia), P. L. Dufton (Astrophysics Research Centre, School of Mathematics and Physics, Queen’s University Belfast, Northern Ireland, Wielka Brytania), M. Garcia (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid, Hiszpania), M. Gieles (Department of Physics, Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of Surrey, Wielka Brytania), V. Hénault-Brunet (National Research Council, Herzberg Astronomy and Astrophysics, Canada; Department of Astrophysics/Institute for Mathematics, Astrophysics and Particle Physics, Radboud University, Holandia), A. Herrero (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de La Serena, Chile), R. G. Izzard (Department of Physics, Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of Surrey, Wielka Brytania; Institute of Astronomy, The Observatories, Cambridge, Wielka Brytania), V. Kalari (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Santiago, Chile), D. J. Lennon (European Space Astronomy Centre, Madrid, Hiszpania), J. Maíz Apellániz (Centro de Astrobiología, CSIC–INTA, European Space Astronomy Centre campus, Villanueva de la Cañada, Hiszpania), N. Markova (Institute of Astronomy with National Astronomical Observatory, Bulgarian Academy of Sciences, Smolyan, Bułgaria), F. Najarro (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid, Hiszpania), Ph. Podsiadlowski (Department of Physics, University of Oxford, Wielka Brytania; Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn, Niemcy), J. Puls (Ludwig-Maximilians-Universität München, Niemcy), W. D. Taylor (UK Astronomy Technology Centre, Royal Observatory Edinburgh, Edinburgh, Wielka Brytania), J. Th. van Loon (Lennard-Jones Laboratories, Keele University, Staffordshire, Wielka Brytania), J. S. Vink (Armagh Observatory, Northern Ireland, Wielka Brytania) oraz C. Norman (Johns Hopkins University, Baltimore, USA; Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA)

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Ma 15 krajów członkowskich: Austria, Belgia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy, dodatkowo Chile jest kraje gospodarzem, a Australia strategicznym partnerem. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada teleskop VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest głównym partnerem ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. Z kolei na Cerro Armazones, niedaleko Paranal, ESO buduje 39-metrowy teleskop ELT (Extremely Large Telescope - Ekstremalnie Wielki Teleskop), który stanie się „największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Publikacja naukowa Zhang et al.
• Publikacja naukowa Schneider et al.
• Zdjęcia ALMA
• Zdjęcia VLT

Kontakt

Zhi-Yu Zhang
University of Edinburgh and ESO
Garching bei München, Germany
Tel.: +49-89-3200-6910
E-mail: zzhang@eso.org

Fabian Schneider
Department of Physics — University of Oxford
Oxford, United Kingdom
Tel.: +44-1865-283697
E-mail: fabian.schneider@physics.ox.ac.uk

Rob Ivison
ESO
Garching bei München, Germany
Tel.: +49-89-3200-6669
E-mail: rob.ivison@eso.org

Mariya Lyubenova
ESO Outreach Astronomer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6188
E-mail: mlyubeno@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych