Afsløring af den dobbelte oprindelse af kosmisk støv i det fjerne univers

To milliarder år efter Big Bang, Universet var stadig meget ungt. Imidlertid, tusindvis af enorme galakser, rig på stjerner og støv, allerede var dannet. En international undersøgelse, ledet af SISSA—Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, forklarer nu, hvordan dette var muligt. Forskere kombinerede observationelle og teoretiske metoder for at identificere de fysiske processer bag deres evolution og, for første gang, fundet beviser for en hurtig vækst af støv på grund af en høj koncentration af metaller i det fjerne univers. Studiet, udgivet i Astronomi og astrofysik , tilbyder en ny tilgang til at undersøge den evolutionære fase af massive objekter.

Siden deres første opdagelse for 20 år siden, meget fjerne og massive galakser, der danner en uhyre mængde unge stjerner - såkaldte 'støvede' (stjernedannende) galakser - repræsenterer en alvorlig udfordring for astronomer:"På den ene side, de er svære at opdage, fordi de befinder sig i tætte områder af det fjerne univers og indeholder støvede partikler, som absorberer det meste af det optiske lys, der udstråles af unge stjerner, " forklarer Darko Donevski, postdoc ved SISSA. "På den anden side, mange af disse støvede 'giganter' er blevet dannet, da universet var meget ungt, nogle gange endda mindre end 1 milliard år gammel, og videnskabsmænd har undret sig over, hvordan så store mængder støv kunne være blevet produceret så tidligt."

Studiet af disse eksotiske objekter er nu muligt takket være Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Dette interferometer på 66 teleskoper i Atacama-ørkenen i det nordlige Chile er i stand til at detektere det infrarøde lys, som trænger igennem de støvede skyer, afslører tilstedeværelsen af ​​nydannede stjerner. Imidlertid, oprindelsen af ​​store mængder støv på tidlig kosmisk tid er stadig et åbent spørgsmål for astronomer. "Gennem mange år troede videnskabsmænd, at produktionen af ​​kosmisk støv udelukkende skyldtes supernovaeksplosion. nyere teoretiske værker tyder på, at støv også kan vokse gennem kollisioner af partikler af kulde, metalrig gas, der fylder galakserne, " forklarer forskeren.

Et internationalt team af forskere fra institutioner baseret i Europa, OS, Canada og Sydafrika, ledet af Donevski, kombinerede observationelle og teoretiske metoder til at studere 300 fjerntliggende, støvede galakser for at afsløre oprindelsen af ​​disse 'giganter'. I særdeleshed, de udledte de fysiske egenskaber af disse støvede galakser ved at tilpasse deres spektrale energifordelinger. "Vi fandt en enorm mængde støvmasse i de fleste af vores galakser. Vores estimater viste, at supernovaeksplosioner ikke kunne være ansvarlige for det hele, og en del skulle produceres gennem partikelkollisioner i det gasformige metalrige miljø omkring massive stjerner, som tidligere antaget af teoretiske modeller," siger Donevski. "Dette er første gang, at observationsdata understøtter eksistensen af ​​begge produktionsmekanismer."

Forskere har også kigget på forholdet mellem støv og stjernemasse over tid for at studere, hvor effektivt galakser skaber og ødelægger støv under deres udvikling. "Dette gjorde det muligt for os at identificere støvets livscyklus i to forskellige populationer af galakser:normal, såkaldt 'hovedsekvens, "galakser, som langsomt udvikler sig, og mere ekstrem, hurtigt udviklende galakser, kaldet 'stjerneudbrud, " sagde Lara Pantoni, Ph.D. studerende på SISSA, der udviklede den analytiske model, der blev brugt til datafortolkning. Modellen viser det store potentiale i at beskrive forskelle i disse to grupper af observerede galakser. "Interessant nok, vi viste også, at uanset deres afstand, stjernernes masse eller størrelse, kompakte 'starburst'-galakser har altid støv-til-stjernemasseforholdet højere end de normale galakser."

For fuldt ud at evaluere observationsresultaterne, holdet af astronomer konfronterede også deres data med de avancerede galaksesimuleringer. De brugte SIMBA, en ny suite, der simulerer dannelsen og udviklingen af ​​millioner af galakser siden universets begyndelse til nutiden, spore alle deres fysiske egenskaber, inklusive støvmasse. "Indtil nu, teoretiske modeller havde problemer med at matche både galaksestøv og stjerneegenskaber samtidigt. Imidlertid, vores nye kosmologiske simuleringssuite, SIMBA, kunne gengive de fleste af de observerede data, " forklarer Desika Narayanan, professor i astronomi ved University of Florida og medlem af DAWN-instituttet i København.

"Vores undersøgelse viser, at støvproduktion i 'giganter' er domineret af meget hurtig vækst af partikler gennem deres kollisioner med gas. det giver det første stærke bevis på, at støvdannelse sker både under stjernernes død og i rummet mellem disse massive stjerner, som antaget ud fra teoretiske studier, " slutter Donevski. "Desuden, det tilbyder en ny blandet tilgang til at undersøge udviklingen af ​​massive objekter i det fjerne univers, som vil blive testet med fremtidige rumteleskoper såsom James Webb Space Telescope."