Herschel-data forbinder mystiske kvasarvinde med rasende stjerneudbrud

Astronomer har brugt ESA's Herschel Space Observatory til at løse et årtier gammelt mysterium om oprindelsen af ​​kraftige kølige gasvinde i de varme omgivelser af kvasarer. Beviserne, der forbinder disse kraftige vinde med stjernedannelse i kvasarværtsgalakserne, kan også hjælpe med at løse mysteriet om, hvorfor størrelsen af ​​galakser i universet ser ud til at være begrænset.

Siden deres opdagelse i 1960'erne har kvasarer givet en skattekiste af spørgsmål, som astronomer kan besvare. Disse energikilder – op til 10.000 gange lysere end Mælkevejen – er kerner i fjerne galakser med supermassive sorte huller i hjertet. Når gas trækkes ind i en tilvækstskive mod det sorte hul, opvarmes den til meget høje temperaturer og udstråler energi over det elektromagnetiske spektrum fra radio til røntgenstråler - på denne måde fødes kvasarens signaturlysstyrke.

I fem årtier, astronomer har studeret kvasarernes spektre for at afdække oprindelsen af ​​den elektromagnetiske stråling, de udsender, og for at spore den vej, lyset har gennemgået for at nå os.

Et værdifuldt værktøj til at forstå denne rejse er absorptionslinjerne i kvasarernes strålingsspektre. Disse linjer angiver de bølgelængdeområder, der er blevet absorberet, mens strålingen rejste fra kilde til observatør, giver ledetråde til det materiale, det passerede igennem. Over tid, studiet af disse linjer har sporet sammensætningen af ​​galakser og gasskyer, der ligger mellem os og disse fjerne lysende objekter, men et sæt absorptionslinjer er forblevet uforklarlige.

Astronomer har observeret absorptionslinjer i mange kvasarer, der er tegn på absorption undervejs af kølig gas med tungmetalelementer som kulstof, magnesium og silicium. Linjerne signalerer, at lyset har rejst gennem vinde af kold gas, der rejser med hastigheder på tusindvis af kilometer i sekundet inden for kvasarernes værtsgalakser. Mens viden om, at disse vinde eksisterer, ikke er noget nyt, er deres oprindelse, og hvorfor de er i stand til at nå så imponerende hastigheder, er forblevet ukendt.

Nu, astronom Peter Barthel og hans ph.d.-studerende Pece Podigachoski, begge fra Groningen University Kapteyn Institute, sammen med kollegerne Belinda Wilkes fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (USA) og Martin Haas ved Ruhr-Universität Bochum (Tyskland) har kastet lys over de kolde vindes oprindelse. Ved hjælp af data opnået med ESA's Herschel Space Observatory har astronomerne vist, for første gang, at styrken af ​​metalabsorptionslinjerne forbundet med disse mystiske gasvinde er direkte forbundet med stjernedannelseshastigheden i kvasarværtsgalakserne. Ved at finde denne tendens er astronomerne i stand til med en vis sikkerhed at sige, at vidunderlig stjernedannelse i værtsgalaksen kan være mekanismen, der driver disse mystiske og kraftige vinde.

"At identificere denne tendens til, at produktiv stjernedannelse er tæt forbundet med kraftige kvasarvinde er et spændende fund for os, " forklarer Pece Podigachoski. "En naturlig forklaring på dette er, at vindene er stjerneskudsdrevet og produceret af supernovaer - som vides at forekomme med stor hyppighed i perioder med ekstrem stjernedannelse."

Denne nye forbindelse løser ikke kun et puslespil om kvasarer, men kan også bidrage til at optrevle et endnu større mysterium:hvorfor ser størrelsen af ​​galakser observeret i vores univers ud til at være begrænset i praksis, selvom det ikke er i teorien.

"Bortset fra spørgsmålet om, hvilke processer der er ansvarlige for gasvindene, deres nettoeffekt er et meget vigtigt emne i nutidens astrofysik, " forklarer Peter Barthel. "Selvom teorier forudsiger, at galakser kan vokse sig meget store, ultramassive galakser er ikke blevet observeret. Det ser ud til, at der er en proces, der fungerer som en bremse på dannelsen af ​​sådanne galakser:interne gasvinde kunne for eksempel være ansvarlige for denne såkaldte negative feedback."

Teori forudsiger, at galakser bør være i stand til at vokse til masser, der er hundrede gange større end nogen nogensinde observeret. Det faktum, at der er et underskud af giganter i universet, antyder, at der er en proces, der udtømmer galaksernes gasreserver, før de er i stand til at nå deres fulde potentiale. Der er to mekanismer, der sandsynligvis vil føre til denne udtømning af gas:den første er supernovavindene forbundet med stjerneudbrud, Sekundet, vindene forbundet med det supermassive sorte hul i hjertet af hver kvasar. Selvom begge mekanismer sandsynligvis vil spille en rolle, beviserne for korrelation mellem kolde gasvinde og stjernedannelseshastighed fundet af dette hold tyder på, at i tilfælde af kvasarer, stjernedannelse, som kræver en konstant forsyning af kold gas, kan være hovedsynderen i at sænke galaksen af ​​gas og undertrykke dens evne til at dyrke den næste generation af stjerner.

"Dette er et vigtigt resultat for kvasarvidenskab, og en, der stolede på Herschels unikke evner, " forklarer Göran Pilbratt, Herschel Project Scientist hos ESA. "Herschel observerer lys i det fjerne infrarøde og submillimeter, hvilket muliggør den detaljerede viden om stjernedannelseshastigheden i de observerede galakser, som var nødvendig for at gøre denne opdagelse."