Der Kern eines massiven Galaxienclusters scheint weit mehr Sterne herauszupumpen, als es sollte. Jetzt haben Forscher am MIT und anderswo einen Schlüsselbestandteil innerhalb des Clusters entdeckt, der den produktiven Starburst des Kerns erklärt.
In einer neuen Studie veröffentlicht in Natur, Die Wissenschaftler berichten über das James Webb Space Telescope (JWST) von NASA, um den Phoenix -Cluster zu beobachten – eine weitläufige Sammlung von gravitalgebundenen Galaxien, die eine zentrale massive Galaxie rund 5,8 Milliarden Lichtjahre von der Erde umkreisen. Der Cluster ist der größte seiner Art, den Wissenschaftler bisher beobachtet haben. Für seine Größe und sein geschätztes Alter sollte der Phönix das sein, was Astronomen als „rot und tot“ bezeichnen – lange mit jeder Sternbildung, die für jüngere Galaxien charakteristisch ist.
Aber die Astronomen stellten zuvor fest, dass der Kern des Phoenix -Clusters überraschend hell zu sein schien, und die zentrale Galaxie schien mit äußerst kräftiger Geschwindigkeit Sterne auszubauen. Die Beobachtungen brachten ein Rätsel: Wie befeuerte der Phoenix eine solche schnelle Sternbildung?
In jüngeren Galaxien besteht der „Kraftstoff“ für das Schmieden von Sternen in Form von extrem kalten und dichten Wolken von interstellarem Gas. Für den viel älteren Phoenix -Cluster war unklar, ob die zentrale Galaxie sich der extremen Kühlung von Gas unterziehen konnte, die erforderlich müsste, um ihre Sternproduktion zu erklären, oder ob kaltes Gas aus anderen jüngeren Galaxien eingewandert war.
Jetzt hat das MIT-Team eine viel klarere Sicht auf den Kern des Clusters gewonnen, wobei JWSTs weitreichende, infrarotversorgte Fähigkeiten verwendet werden. Zum ersten Mal konnten sie Regionen innerhalb des Kerns kartieren, wo es „warme“ Gas Taschen gibt. Astronomen haben bisher Hinweise auf sowohl sehr heißes Gas als auch sehr kaltes Gas gesehen, aber nichts dazwischen.
Die Erkennung von warmem Gas bestätigt, dass der Phoenix -Cluster aktiv abkühlt und in der Lage ist, eine große Menge an Sternkraftstoffs selbst zu erzeugen.
„Zum ersten Mal haben wir ein komplettes Bild der Hot-to-War-bis-Kalt-Phase in der Sternenbildung, die in keiner Galaxie noch nie beobachtet wurde“ Kavli Institute für Astrophysik und Weltraumforschung. „Überall, wo wir sehen können, gibt es einen Halo dieses Zwischengases.“
„Die Frage ist jetzt, warum dieses System?“ Fügt Co-Autor Michael McDonald, außerordentlicher Professor für Physik am MIT. „Dieser riesige Starburst könnte etwas sein, das jeder Cluster irgendwann durchläuft, aber wir sehen nur, dass es derzeit in einem Cluster passiert. Die andere Möglichkeit besteht darin Gehen Sie nicht. Das wäre interessant zu erforschen. „
Heiß und kalt
Der Phoenix -Cluster wurde erstmals 2010 von Astronomen unter Verwendung des Südpol -Teleskops in der Antarktis entdeckt. Der Cluster umfasst etwa 1.000 Galaxien und liegt in der Konstellation Phoenix, nach der er benannt ist. Zwei Jahre später leitete McDonald die Bemühungen, sich mit mehreren Teleskopen auf Phoenix zu konzentrieren, und stellte fest, dass die zentrale Galaxie des Clusters extrem hell war. Die unerwartete Leuchtkraft war auf eine Feuerwehr von Sternbildung zurückzuführen. Er und seine Kollegen schätzten, dass diese zentrale Galaxie Sterne mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit von etwa 1.000 pro Jahr herausstellte.
„Vor dem Phoenix hatte das sternbildendste Galaxiencluster im Universum etwa 100 Sterne pro Jahr, und selbst das war ein Ausreißer. Die typische Zahl ist ein-is“, sagt McDonald. „Der Phönix ist vom Rest der Bevölkerung wirklich ausgeglichen.“
Seit dieser Entdeckung haben Wissenschaftler von Zeit zu Zeit auf dem Cluster eingecheckt, um Hinweise auf die ungewöhnlich hohe Sternproduktion zu erklären. Sie haben sowohl Taschen von Ultrahot -Gas, etwa 1 Million Grad Fahrenheit als auch Regionen mit extrem kaltem Gas, von 10 Kelvinen oder 10 Grad über absolutes Null beobachtet.
Das Vorhandensein von sehr heißem Gas ist keine Überraschung: Die massivsten Galaxien, junge und alte, schwarze Löcher in ihren Kernen, die Jets von extrem energischen Partikeln ausgeben, die das Gas und den Staub der Galaxie während der gesamten Lebensdauer eines Galaxis ständig erhitzen können. Nur in der frühen Stadien eines Galaxis kühlt einige dieser millionengängigen Gaskühlung dramatisch zu ultrakoldenen Temperaturen, die dann Sterne bilden können. Für die zentrale Galaxie des Phoenix -Clusters, die weit über dem Stadium der extremen Kühlung hinaus sein sollte, zeigte das Vorhandensein von Ultracold -Gas ein Puzzle.
„Die Frage war: Woher kam dieses kalte Gas?“ McDonald sagt. „Es ist nicht selbstverständlich, dass heißes Gas jemals abkühlen wird, da es schwarzes Loch oder Supernova -Feedback geben könnte. Es gibt also einige praktikable Optionen, die einfachste, dass dieses kalte Gas von anderen Galaxien in der Nähe von anderen nahe gelegenen Galaxien in die Mitte geworfen wurde. ist, dass dieses Gas irgendwie direkt vom heißen Gas im Kern abkühlt. „
Neonzeichen
Für ihre neue Studie arbeiteten die Forscher unter einer wichtigen Annahme: Wenn das kalte Sterngas des Phoenix-Clusters aus der zentralen Galaxie und nicht aus den umliegenden Galaxien stammt, sollte das zentrale Galaxie nicht nur Taschen mit heißem und kaltem Taschen haben Gas, aber auch Gas, das sich in einer „warmen“ Phase befindet. Das Erkennen eines solchen Zwischengases wäre wie das Fangen des Gass inmitten der extremen Kühlung und diente als Beweis dafür, dass der Kern des Clusters tatsächlich die Quelle des kalten Sternbrennstoffs war.
Nach dieser Argumentation versuchte das Team, warmes Gas innerhalb des Phoenix -Kerns zu erkennen. Sie suchten nach Gas, das irgendwo zwischen 10 Kelvins und 1 Million Kelvins lag. Um nach diesem Goldilocks -Gas in einem System zu suchen, das 5,8 Milliarden Lichtjahre entfernt ist, schauten die Forscher auf JWST, was in der Lage ist, weiter und deutlicher zu beobachten als jedes Observatorium.
Das Team verwendete das mittelauflösende Spektrometer auf dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) von JWST, das es Wissenschaftlern ermöglicht, Licht im Infrarotspektrum zu kartieren. Im Juli 2023 konzentrierte das Team das Instrument auf den Phoenix -Kern und sammelte Infrarotbilder im Wert von 12 Stunden. Sie suchten nach einer bestimmten Wellenlänge, die beim Gas – insbesondere des Neongass – emittiert wird, einen bestimmten Ionenverlust. Dieser Übergang erfolgt bei rund 300.000 Kelvins oder 540.000 Grad Fahrenheit – eine Temperatur, die sich innerhalb des „warmen“ Bereichs befindet, den die Forscher erkennen und kartieren wollten. Das Team analysierte die Bilder und kartierte die Orte, an denen warmes Gas in der zentralen Galaxie beobachtet wurde.
„Dieses 300.000-Grad-Gas ist wie ein Neonzeichen, das in einer bestimmten Lichtwellenlänge leuchtet, und wir konnten während unseres gesamten Sichtfelds Klumpen und Filamente davon sehen“, sagt Reefe. „Sie konnten es überall sehen.“
Basierend auf dem Ausmaß des warmen Gas im Kern schätzt das Team, dass die zentrale Galaxie ein großes Maß an extremer Kühlung durchläuft und jedes Jahr eine Menge ultrakimaler Gas erzeugt, das der Masse von etwa 20.000 Sonnen entspricht. Mit dieser Art von herausragender Kraftstoffversorgung ist das Team sehr wahrscheinlich, dass die zentrale Galaxie tatsächlich ihren eigenen Starburst erzeugt, anstatt Treibstoff aus den umliegenden Galaxien zu verwenden.
„Ich denke, wir verstehen ziemlich voll und ganz, was los ist, was all diese Stars generiert“, sagt McDonald. „Wir verstehen nicht warum. Aber diese neue Arbeit hat eine neue Möglichkeit eröffnet, diese Systeme zu beobachten und besser zu verstehen.“
Diese Arbeit wurde teilweise von der NASA finanziert.
