Et første glimt af den højproduktive stjernefabrik i det galaktiske centrum

Ved hjælp af detaljerede observationer er det lykkedes astronomerne at få et første repræsentativt glimt af de talrige unge stjerner i de centrale områder af vores hjemmegalakse. Observationerne viser, at stjernedannelsen i det galaktiske centrum er startet nær midten og derefter har arbejdet sig udad. Dette bekræfter en stjernedannelsesmåde, som tidligere var blevet fundet i centrene af andre, fjerne galakser. Resultaterne afslører også, at de fleste stjerner i den region ikke blev dannet i tæt bundne massive hobe, men i løse associationer, hvis medlemsstjerner for længst er gået hver til sit. Resultaterne er blevet offentliggjort i Nature Astronomy .

Når det kommer til stjerner, er det centrale område af vores hjemgalakse, Mælkevejen, betydeligt mere overfyldt end andre dele af vores galakse. Astronomer har længe håbet, at dette kunne give dem et laboratorium til at studere hurtig stjernedannelse - et fænomen, der forekommer i adskillige andre galakser, og især i løbet af de tidligste milliarder af års kosmisk historie. Men trængslen gør stjerner i den centrale region notorisk svære at observere.

Nu en ny analyse baseret på en højopløsnings infrarød undersøgelse, som netop er blevet offentliggjort i Nature Astronomy , giver en første repræsentativ rekonstruktion af stjernedannelseshistorien i den galaktiske centrale region. Den viser også, at de fleste unge stjerner i det galaktiske centrum ikke er dannet i tæt sammenknyttede massive hobe, men i løs stjerneforening, som spredte sig over de sidste millioner af år.

Produktive og uproduktive galakser

Vores Mælkevej er ikke en særlig produktiv galakse. Tilsammen udgør de nye stjerner, vores hjemmegalakse danner på et år, ikke mere end et par solmasser. Såkaldte "stjerneudbrudsgalakser" er meget mere effektive:I løbet af korte episoder, der varer et par millioner år, producerer de ti eller endda hundredvis af stjerner til en værdi af solmasser om året! Mere generelt, for 10 milliarder år siden, synes den slags høje dannelseshastigheder, med snesevis af solmasser produceret hvert år, at have været normen blandt galakser.

Astronomer bruger rutinemæssigt Mælkevejen til at lære om galakseegenskaber generelt. Når alt kommer til alt, er Mælkevejen den ene galakse, hvor vi har et syn fra ringsiden og kan studere processer og egenskaber tæt på, i detaljer. I betragtning af Mælkevejens lave effektivitet i stjernedannelsen, tror du måske, at højproduktiv stjernedannelse er et område, hvor denne opskrift – undersøg også lokalt, hvad der sker i fjerne galakser – ikke virker. Men du ville tage fejl:I Mælkevejens centrale områder, svarende til de centrale 1300 eller deromkring lysår omkring vores galakses centrale sorte hul, har stjernedannelseshastighederne over de sidste 100 millioner år været ti gange højere end gennemsnittet. Vores galakses kerne er lige så produktiv som en stjerneudbrudt galakse eller som de hyperproduktive galakser for 10 milliarder år siden.

Udfordringerne ved at observere de galaktiske centrale områder

Men hvis vi ønsker at lære om højproduktiv stjernedannelse fra vores galakses centrale områder, er der en udfordring:Disse områder er notorisk svære at observere. Til at begynde med, set fra Jorden, er de gemt bag rigelige mængder støv. Men det problem er let løst:brug infrarød, millimeterbølge eller radioobservationer. Ved disse bølgelængder vil lyset passere lige gennem støvet, så vi kan se det galaktiske centrum. Det var sådan, grupperne af Andrea Ghez og Reinhard Genzel udførte deres nobelprisvindende observationer af stjerner, der kredser om vores galakses centrale sorte hul (nær-infrarødt), og hvordan Event Horizon Collaboration producerede det første billede af skyggen af ​​vores galakses centrale sort hul (millimeterbølger ved 1,3 mm).

Med det første problem løst kommer det næste:Det galaktiske centrum er så fyldt med stjerner, at det er svært at skelne en stjerne fra den næste. Undtagelsen er visse meget klare kæmpestjerner, som er særligt lysende, skiller sig ud fra mængden og derfor forholdsvis let kan adskilles fra resten. Dette problem har irriteret astronomer, der har forsøgt at forstå højproduktiv stjernedannelse i det galaktiske centrum i årevis. At der har været en sådan stjernedannelse i løbet af de sidste 1-10 millioner år, er ikke i tvivl - tilstedeværelsen af ​​brintgas opdelt i dets komponenter (ioniseret) af ultraviolet lys fra varme, unge stjerner og tilstedeværelsen af ​​røntgenstråler, der er karakteristiske for visse slags unge, meget massive stjerner, vidner om det.

Men med trængselproblemet, spørgsmålet "... så hvor er de resulterende unge stjerner så?" har været svær at svare på. Før den nye analyse beskrevet her, havde astronomer kun fundet omkring 10 % af den forventede samlede stjernemasse i det galaktiske centrum – i to massive stjernehobe og i form af nogle få isolerede unge stjerner. Så hvor var alle de andre stjerner, og hvad var deres egenskaber?

En storslået folketælling fra en detaljeret undersøgelse

Det spørgsmål stillede forfatterne til det nyudgivne papir sig selv. Francisco Nogueras-Lara, en uafhængig Humboldt-forsker i Lise Meitner-gruppen af ​​Nadine Neumayer ved Max Planck Institute for Astronomy, og deres kollega Rainer Schödel ved Instituto de Astrofísica de Andalucía i Granada, Spanien, var i en unik position til at gå om at finde de forsvundne unge stjerner i det galaktiske centrum:Schödel er hovedforsker (PI) af GALACTICNUCLEUS:en undersøgelse, der gjorde brug af HAWK-I infrarøde kamera ved Very Large Telescope (VLT) i European Southern Observatory til at tage næsten 150 billeder (i de infrarøde bånd J, H og Ks) af Mælkevejens centrale region, der dækker et samlet areal på 64.000 kvadratiske lysår omkring det galaktiske centrum.

Nogueras-Lara tog føringen i eftersøgningen. For at identificere individuelle stjerner i et overfyldt område, er det nødvendigt med opløsning - evnen til at skelne mellem små detaljer på himlen. VLT består af teleskoper med 8 meter spejle. Med en metode kendt som holografisk billeddannelse – der kombinerer adskillige korteksponerede billeder på en passende måde for at afbøde sløringseffekterne af Jordens atmosfære – lykkedes det undersøgelsen at kortlægge sit målområde i meget finere detaljer end nogensinde før (med en opløsning på 0,2 buesekunder ). Hvor der tidligere kun var blevet kortlagt nogle få håndfulde stjerner, leverede GALACTICNUCLEUS individuelle data for 3 millioner.

Kortlægning af 3 millioner individuelle stjerner i det galaktiske centrum

Da forskerne så på (falsk-farve) billederne fra GALACTICNUCLEUS undersøgelsen, så de straks, at området i det galaktiske center kendt som Skytten B1 var anderledes. Den indeholder betydeligt flere unge stjerner, som ioniserer den omgivende gas, end andre områder - en effekt, der ikke kom som en overraskelse:Tidligere observationer, især af lys, der er karakteristisk for brintgas, der ioniseres af varme stjerner, havde vist det samme. Med de højt opløste GALACTICNUCLEUS-observationer var Nogueras-Lara og hans kolleger nu for første gang i stand til at studere regionens stjerner i detaljer.

Selv med deres højopløselige undersøgelse kunne astronomer kun studere kæmpestjerner individuelt (ikke såkaldte hovedsekvensstjerner som vores sol), men dataene fra de 3 millioner stjerner, de kunne studere separat, indeholdt allerede et væld af informationer. Især var astronomerne i stand til at udlede hver stjernes lysstyrke og kompensere for dæmpning på grund af støv mellem os og en bestemt stjerne. Alle stjernerne i Skytten B1 er i omtrent samme afstand fra Jorden, og afstanden fra Jorden til det galaktiske centrum er kendt; givet denne information var astronomerne i stand til at rekonstruere hver stjernes lysstyrke – den iboende lysstyrke, svarende til mængden af ​​lys, en stjerne udsender pr. tidsenhed.

Rekonstruering af stjernedannelseshistorie i det galaktiske centrum

Særlig interessant var den statistiske fordeling af stjernernes lysstyrke for disse stjerner - hvor mange stjerner der var i hver "lysstyrkegruppe". For stjerner, der dannes på samme tid, ændres denne lysstyrkefordeling over tid på en regelmæssig og forudsigelig måde. Til gengæld er det, givet en sådan fordeling, muligt at udlede i det mindste en grov historie om stjernedannelse:Hvor mange stjerner blev dannet for mere end omkring 7 milliarder år siden? Hvor mange i den mellemliggende parentes mellem omkring 2 og omkring 7 milliarder år? Hvor mange mere for nylig? Lysstyrkefordelingen giver i det mindste et statistisk svar - den mest sandsynlige stjernedannelseshistorie.

Da Nogueras-Lara, Neumayer og Schödel analyserede deres lysstyrkefordeling, fandt de ud af, at der faktisk havde været flere faser af stjernedannelse i Skytten B1:en ældre befolkning, der blev dannet for mellem 2 og 7 milliarder år siden, og en stor befolkning af meget yngre stjerner , kun 10 millioner år gammel eller endda yngre end det. Nogueras-Lara siger:"Vores undersøgelse repræsenterer et stort skridt fremad i at finde de unge stjerner i det galaktiske centrum. De unge stjerner, vi fandt, har en samlet masse på mere end 400.000 solmasser. Det er næsten ti gange højere end den kombinerede masse af de to massive stjernehobe, som tidligere var kendt i den centrale region."

Byggestjerner i midterregionen, vrangen ud

Interessant nok er de stjerner, forskerne fandt i Sagittarius B1, spredt og ikke en del af en massiv hob. Det tyder på, at de blev født i en eller flere løsere stjerneassociationer, mindre tæt bundet af stjernernes indbyrdes tyngdekraft, som derefter hurtigt opløstes, da de kredser om det galaktiske centrum på skalaer af flere millioner år - og efterlader mange separate stjerner. Og selvom dette resultat refererer til Skytten B1 til at begynde med, kunne det også forklare meget mere generelt, hvorfor de unge stjerner i det galaktiske centrum kun kan findes ved højopløselige undersøgelser som det nuværende arbejde:de blev født i løse associationer, der har siden spredt i separate stjerner.

Tilstedeværelsen af ​​den ældre population af stjerner i Skytten B1 er også interessant. I de inderste områder af det galaktiske centrum er der stjerner, der er ældre end 7 milliarder år, men stort set ingen stjerner i den mellemliggende aldersgruppe på 2 til 7 milliarder år. Dette kunne tyde på, at stjernedannelsen i den centrale region begyndte i den inderste region og derefter spredte sig til de ydre områder - hvilket giver en overordnet tendens for kronologien af ​​stjernedannelsen i disse områder. For andre galakser var denne indefra-ud-mekanisme til at bygge den såkaldte kernedisk - en lille skive lavet af stjerner, der omgiver det galaktiske centrum - allerede blevet observeret. De nye resultater indikerer, at det samme sker i vores hjemgalakses centrale region.

Næste trin

Så overbevisende som beviserne fra de infrarøde billeder allerede er, både for rekonstruktionen af ​​stjernedannelseshistorien og for den overordnede tendens til stjernedannelse, er astronomerne ivrige efter at sætte deres konklusioner på et endnu fastere grundlag. Til det formål planlægger Nogueras-Lara og hans kolleger at følge op på deres observationer med KMOS-instrumentet ved VLT, en højpræcisionsspektrograf. I nærværende undersøgelse er fradragene foretaget ud fra den samlede lysstyrkefordeling. Spektralobservationer ville gøre det muligt for astronomerne at identificere nogle af de meget unge stjerner direkte ud fra deres spektre. Det ville være et vigtigt krydstjek af de resultater, der nu er offentliggjort.

Derudover vil astronomerne spore bevægelserne af de nyopdagede stjerner på himlen ("korrekt bevægelse"). Nær det galaktiske centrum bevæger stjerner sig forholdsvis hurtigt. Det er derfor, selvom disse stjerner befinder sig i en afstand af omkring 26.000 lysår fra Jorden, vil grundige observationer i løbet af nogle år kunne måle deres positionsændringer. Stjerner, der er dannet i en og samme stjernesammenslutning, bliver spredt over tid, deres bevægelse er sandsynligvis stadig meget ens - så sporing af egenbevægelse ville tillade deduktioner om, hvorvidt stjernerne i Skytten B1 faktisk blev født i en eller flere løse associationer.

Afslutningsvis siger Nadine Neumayer:"Begge typer målinger vil tjene til forhåbentlig at bekræfte, men definitivt forfine, resultaterne af det nu offentliggjorte arbejde. Samtidig vil vi og vores kolleger begynde at udforske, hvad den nye indsigt i stjernedannelsen i det galaktiske centrum kan fortælle os om højproduktiv stjernedannelse i andre galakser." + Udforsk yderligere

Hubble-billeder usædvanlig galakse NGC 1156