Spiralformede filamenter fodrer unge galakser

Galakser vokser ved at akkumulere gas fra deres omgivelser og omdanne den til stjerner, men detaljerne i denne proces er forblevet uklare. Nye observationer, lavet ved hjælp af Keck Cosmic Web Imager (KCWI) ved W. M. Keck Observatory på Hawaii, giv nu den klareste, det mest direkte bevis endnu på, at filamenter af kølig gas spiraler ind i unge galakser, levere brændstof til stjerner.

"For første gang, vi ser filamenter af gas spiral direkte ind i en galakse. Det er som en rørledning, der går lige ind, " siger Christopher Martin, en professor i fysik ved Caltech og hovedforfatter til et nyt papir, der vises i 1. juli-udgaven af ​​tidsskriftet Natur astronomi . "Denne gasledning opretholder stjernedannelsen, forklarer, hvordan galakser kan lave stjerner på meget hurtige tidsskalaer."

Årevis, astronomer har diskuteret præcis, hvordan gas kommer til centrum af galakser. Opvarmes den dramatisk, når den kolliderer med den omgivende varme gas? Eller strømmer det ind langs tynde tætte filamenter, forbliver relativt koldt? "Moderne teori antyder, at svaret sandsynligvis er en blanding af begge, men at bevise eksistensen af ​​disse kolde gasstrømme havde indtil nu været en stor udfordring, " siger medforfatter Donal O'Sullivan (MS '15), en ph.d. elev i Martins gruppe, der byggede en del af KCWI.

KCWI, designet og bygget hos Caltech, er et state-of-the-art spektral billedkamera. Kaldes en integral-felt enhed spektrograf, det giver astronomer mulighed for at tage billeder, således at hver pixel i billedet indeholder et spredt lysspektrum. Installeret hos Keck i begyndelsen af ​​2017, KCWI er efterfølgeren til Cosmic Web Imager (CWI), et instrument, der har fungeret ved Palomar Observatory nær San Diego siden 2010. KCWI har otte gange den rumlige opløsning og 10 gange følsomheden af ​​CWI.

"Den vigtigste drivkraft for at bygge KCWI var at forstå og karakterisere det kosmiske web, men instrumentet er meget fleksibelt, og videnskabsmænd har brugt det, blandt andet, at studere naturen af ​​mørkt stof, at undersøge sorte huller, og for at forfine vores forståelse af stjernedannelse, " siger medforfatter Mateusz (Matt) Matuszewski (MS '02, Ph.D. '12), en senior instrumentforsker hos Caltech.

Spørgsmålet om, hvordan galakser og stjerner dannes ud af et netværk af tjavsede filamenter i rummet - det, der er kendt som det kosmiske web - har fascineret Martin, siden han var kandidatstuderende. For at finde svar, han ledede de hold, der byggede både CWI og KCWI. I 2017 Martin og hans team brugte KCWI til at indhente data om to aktive galakser kendt som kvasarer, navngivet UM 287 og CSO 38, men det var ikke kvasarerne selv, de ville studere. I nærheden af ​​hver af disse to kvasarer er en kæmpe tåge, større end Mælkevejen og synlig takket være den stærke belysning af kvasarerne. Ved at se på lys, der udsendes af brint i nebulaerne - specifikt en atomare emissionslinje kaldet brint Lyman-alpha - var de i stand til at kortlægge gassens hastighed. Fra tidligere observationer på Palomar, holdet vidste allerede, at der var tegn på rotation i tågerne, men Keck-dataene afslørede meget mere.

"Da vi tidligere brugte Palomars CWI, vi var i stand til at se, hvad der lignede en roterende skive af gas, men vi kunne ikke se nogen filamenter, " siger O'Sullivan. "Nu, med stigningen i følsomhed og opløsning med KCWI, vi har mere sofistikerede modeller og kan se, at disse objekter bliver fodret af gas, der strømmer ind fra vedhæftede filamenter, hvilket er et stærkt bevis på, at det kosmiske web er forbundet med og giver næring til denne disk."

Martin og kolleger udviklede en matematisk model til at forklare de hastigheder, de så i gassen, og testede den på UM287 og CSO38 samt på en simuleret galakse.

"Det tog os mere end et år at komme op med den matematiske model til at forklare den radiale strøm af gassen, " siger Martin. "Når vi gjorde det, vi var chokerede over, hvor godt modellen fungerer."

Resultaterne giver det bedste bevis til dato for koldstrømsmodellen for galaksedannelse, som grundlæggende siger, at kølig gas kan strømme direkte ind i dannende galakser, hvor det omdannes til stjerner. Før denne model blev populær, forskere havde foreslået, at galakser trækker gas ind og varmer den op til ekstremt høje temperaturer. Derfra, man mente, at gassen gradvist afkøledes, giver en stabil, men langsom forsyning af brændstof til stjerner. I 1996 forskning fra Caltechs Charles (Chuck) Steidel, Lee A. DuBridge professor i astronomi og medforfatter til den nye undersøgelse, satte spørgsmålstegn ved denne model. Han og hans kolleger viste, at fjerne galakser producerer stjerner med en meget høj hastighed - for hurtigt til at kunne forklares med den langsomme bundfældning og afkøling af varm gas, som var en yndet model for brændstof til unge galakser.

"Gennem årene, vi har fået mere og mere bevis for koldstrømsmodellen, " siger Martin. "Vi har givet vores nye version af modellen tilnavnet 'cold-flow inspiral', siden vi ser det spiralformede mønster i gassen."

"Denne type målinger er præcis den slags videnskab, vi ønsker at lave med KCWI, " siger John O'Meara, chefforsker fra Keck Observatory. "Vi kombinerer kraften i Kecks teleskopstørrelse, kraftfuld instrumentering, og et fantastisk astronomisk sted at flytte grænserne for, hvad der er muligt at observere. Det er meget spændende at se dette resultat i særdeleshed, da direkte observation af indstrømninger har været noget af et manglende led i vores evne til at teste modeller af galaksedannelse og evolution. Jeg kan ikke vente med at se, hvad der kommer næste gang."

Den nye undersøgelse, med titlen, "Multi-filament gastilstrømning giver næring til unge stjernedannende galakser, " blev finansieret af National Science Foundation (NSF), W. M. Keck Observatory, Caltech, og Det Europæiske Forskningsråd.