ALMA a VLT nalezly příliš mnoho hmotných stálic v blízkých i vzdálených galaxiích s překotnou tvorbou hvězd

ESO 017/18 tisková zpráva

Astronomové pracující s radioteleskopem ALMA a dalekohledem ESO/VLT objevili, že galaxie s intenzivní tvorbou hvězd v mladém vesmíru i jedna oblast s aktivní tvorbou hvězd v nedaleké galaxii obsahují mnohem větší podíl hmotných stálic, než je běžné v poklidnějších galaxiích. Tyto výsledky představují výzvu pro současné představy o vývoji galaxií a mění náš pohled na historii formování hvězd i tvorbu chemických prvků ve vesmíru.

Astronom Zhi-Yu Zhang (University of Edinburgh) vedl mezinárodní tým vědců, který využil radioteleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ke zkoumání vzdáleného vesmíru. Výzkumníci se zaměřili na vlastnosti hmotných hvězd ve čtveřici na prach bohatých galaxiích s intenzivní tvorbou hvězd (starburst galaxies) [1]. Tyto galaxie pozorujeme tak, jak vypadaly v době, kdy byl vesmír mnohem mladší než dnes. Proto se předpokládá, že je nepravděpodobné, aby v takto mladých galaxiích proběhlo mnoho epizod formování hvězd, což by jinak mohlo významně ovlivnit získané výsledky.

Zhi-Yu Zhang a jeho tým vyvinuli novou techniku – analogickou radiokarbonové metodě datování (radiocarbon dating) – měření poměrného zastoupení dvou různých variant molekuly oxidu uhelnatého (obsahujících různé izotopy) ve čtveřici velmi vzdálených prachem zahalených galaxiích [2], [3].

Mozaika  snímků čtveřice galaxií s překotnou tvorbou hvězd jak je zachytil teleskop ALMA. Snímky v horní řadě představují pro každou galaxii záznam emise molekuly 13CO, dolní řada pak ukazuje emise molekuly C18O. Poměrné zastoupení těchto izotopologů molekuly CO astronomům umožnilo určit, že sledované galaxie mají přebytek hmotných hvězd.

„Izotopy uhlíku a kyslíku mají rozdílný původ,“ vysvětluje Zhi-Yu Zhang. „Kyslík ¹⁸O vzniká ve větším množství ve hmotných hvězdách, zatímco uhlík 13C vyrábějí dominantně malé a střední  hvězdy.“ Díky této nové metodě byli členové týmu schopni nahlédnout skrz prach v těchto galaxiích a poprvé odhadnout hmotnosti hvězd, které se zde vyskytují.

Hmotnost hvězdy je nejdůležitějším faktorem, který ovlivňuje její vývoj. Hmotné hvězdy září velmi jasně, ale mají krátký život. Méně hmotné hvězdy, jako je například Slunce, září méně, zato ale po miliardy let. Znalost poměrného zastoupení hvězd různých hmotností vznikajících v galaxiích rozšiřuje naše chápání vzniku a vývoje galaxií během historie vesmíru. Kromě toho nám poskytuje zásadní informaci o chemických prvcích, které jsou k dispozici při vzniku nových hvězd a planet, nebo také o počtu hvězdných černých děr, které mohou následně splynout a vytvořit superhmotné galaktické černé díry, jaké pozorujeme v jádrech řady dnešních galaxií.

Donatella Romano (INAF-Astrophysics and Space Science Observatory in Bologna), spoluautorka článku, vysvětluje, co se týmu podařilo objevit: „Poměr kyslíku ¹⁸O k uhlíku ¹³C byl asi 10krát vyšší v mladých galaxiích s mimořádně intenzivní hvězdotvorbou, než je v současných galaxiích podobných té naší. To znamená, že galaxie s intenzivními procesy formování nových stálic obsahují mnohem vyšší podíl hmotných hvězd."

Objev učiněný na základě dat z observatoře ALMA podporují i další nové poznatky získané tentokrát v našem blízkém kosmickém okolí. Tým astronomů pod vedením Fabiana Schneidera (University of Oxford, UK) prováděl pomocí dalekohledu ESO/VLT (Very Large Telescope) spektroskopická měření 800 hvězd v obří hvězdné porodnici známé pod označením 30 Doradus, která se nachází ve Velkém Magellanově oblaku (Large Magellanic Cloud). I zde se vědci snažili zkoumat poměrné zastoupení hvězd různého stáří a hmotnosti [4].

Fabian Schneider vysvětluje: „Nalezli jsme asi o 30 %  více hvězd s hmotností převyšující 30 Sluncí, než jsme očekávali, a asi o 70 %  více hvězd 60krát hmotnějších než Slunce. Naše výsledky tak zpochybňují dříve předpovězený limit počáteční hmotnosti hvězdy, který byl stanoven na asi 150 Sluncí, a naopak naznačují, že ty největší hvězdy by mohly na počátku svého vývoje hmotností převyšovat Slunce až 300krát!“

Rob Ivison, spoluautor článku popisujícího výzkum pomocí ALMA, dodává: „Tyto výsledky nás přivádějí k otázce, zda skutečně rozumíme historii vesmíru. Astronomové vytvářející vývojové modely musí nyní začít znovu a vzít v úvahu i tyto komplikace.“

Zdroj

Poznámky

[1] Galaxie s překotnou hvězdotvorbou (starburst galaxies) jsou galaxie, které procházejí obdobím mimořádně intenzivních procesů formování hvězd. Rychlost, s jakou se zde hvězdy tvoří, může v tomto období 100krát i vícekrát převyšovat rychlost, s jakou se tvoří hvězdy v naší Galaxii. Hmotné hvězdy v těchto galaxiích produkují intenzivní ionizující záření (ionising radiation) a proudí od nich značné množství hmoty, dochází zde také k častým explozím supernov (supernova explosions). Všechny tyto procesy významně ovlivňují dynamický i chemický vývoj prostředí v blízkém okolí. Studium hmotnostního rozdělení hvězd v těchto galaxiích nám může poskytnout cenné informace o vývoji těchto galaxií a také o vývoji vesmíru jako takového.

[2] Metoda radiokarbonového datování se využívá k určování stáří různých objektů obsahujících organickou hmotu. Měřením obsahu uhlíku ¹⁴C, který je radioaktivním izotopem, jehož obsah postupně klesá, je možné například určit, kdy zvíře uhynulo. Izotopy využité ve výzkumu pomocí radioteleskopu ALMA (uhlík ¹³C a kyslík ¹⁸O) jsou stabilními izotopy a jejich obsah postupně narůstá během vývoje galaxie, protože jsou produktem termonukleárních reakcí v nitru hvězd.

[3] Různé varianty těchto molekul jsou označovány jako izotopology (izotoplologues) a odlišují se počtem neutronů v jádrech atomů, které molekulu tvoří. Molekuly oxidu uhelnatého použité v této studii jsou příkladem těchto molekulárních variant – stabilní izotopy uhlíku mohou mít 12 nebo 13 nukleonů v jádře a stabilní izotopy kyslíku mohou mít 16, 17 nebo 18 nukleonů.

[4] Fabian Schneider a kolektiv spoluautorů prováděli spektroskopická pozorování jednotlivých stálic v oblasti s intenzivními procesy formování hvězd 30 Doradus (leží ve Velkém Magellanově oblaku) pomocí dalekohledu ESO/VLT a přístroje FLAMES (Fibre Large Array Multi Element Spectrograph). Tato studie byla jednou z prvních, která byla dostatečně detailní na to, aby prokázala, že ve vesmíru mohou vznikat oblasti s probíhající tvorbou hvězd, které mají odlišné hmotnostní rozdělení vznikajících stálic, než jaké pozorujeme v naší Galaxii.

Další informace

Výsledky získané na základě pozorování pomocí ALMA byly prezentovány v článku s názvem „Stellar populations dominated by massive stars in dusty starburst galaxies across cosmic time“, který byl zveřejněn 4. června 2018 ve vědeckém časopise Nature.

Výsledky získané na základě pozorování pomocí VLT/FLAMES byly prezentovány v článku s názvem „An excess of massive stars in the local 30 Doradus starburst“, který byl zveřejněn 5. ledna 2018 ve vědeckém časopise Science.

 
Složení týmu (ALMA): Z. Zhang (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Edinburgh, UK; European Southern Observatory, Garching bei München, Německo), D. Romano (INAF, Astrophysics and Space Science Observatory, Bologna, Itálie), R. J. Ivison (European Southern Observatory, Garching bei München, Německo; Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Edinburgh, UK), P. P. Papadopoulos  (Department of Physics, Aristotle University of Thessaloniki, Thessaloniki, Řecko; Research Center for Astronomy, Academy of Athens, Athens, Řecko) a F. Matteucci (Trieste University; INAF, Osservatorio Astronomico di Trieste; INFN, Sezione di Trieste, Trieste, Itálie).

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

ESO je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace v Evropě, která v současnosti provozuje nejproduktivnějších pozemní astronomické observatoře světa. ESO má 15 členských států: Belgie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Nizozemsko, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie a dvojici strategických partnerů – Chile, která hostí všechny observatoře ESO, a Austrálii. ESO uskutečňuje ambiciózní program zaměřený na návrh, konstrukci a provoz výkonných pozemních pozorovacích komplexů umožňujících astronomům dosáhnout významných vědeckých objevů. ESO také hraje vedoucí úlohu při podpoře a organizaci celosvětové spolupráce v astronomickém výzkumu. ESO provozuje tři unikátní pozorovací střediska světového významu nacházející se v Chile: La Silla, Paranal a Chajnantor. Na Observatoři Paranal, nejvyspělejší astronomické observatoři světa pro viditelnou oblast, pracuje Velmi velký dalekohled VLT a dva přehlídkové teleskopy – VISTA a VST. Dalekohled VISTA pozoruje v infračervené části spektra a je největším přehlídkovým teleskopem světa, dalekohled VST je největším teleskopem navrženým k prohlídce oblohy ve viditelné oblasti spektra. ESO je významným partnerem zařízení APEX a revolučního astronomického teleskopu ALMA, největšího astronomického projektu současnosti. Nedaleko observatoře Paranal, na hoře Cerro Armazones, staví ESO nový dalekohled ELT (Extremely Large Telescope) s primárním zrcadlem o průměru 39 m, který se stane „největším okem lidstva hledícím do vesmíru“.

Odkazy

• Zhang a kol. - odborný článek
• Schneider a kol. - odborný článek
• snímky teleskopu ALMA
• snímky dalekohledu VLT

Kontakty

Viktor Votruba; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: votruba@physics.muni.cz

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

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

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

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

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