Galaxie îndepărtată, alimentată cu combustibil cosmic primordial

Astronomii au detectat curenţi reci de hidrogen primordial, care se consideră că reprezintă materia rămasă în urma evenimentului Big Bang, ce alimentează o galaxie îndepărtată care formează stele, aflată în Universul timpuriu.

Deplasarea curenţilor de gaz spre galaxii se consideră a fi de o mare importanţă pentru a explica o eră cosmică, de acum 10 miliarde de ani, atunci când galaxiile au format un număr mare de stele. Pentru a face această descoperire, astronomii conduşi de Neil Crighton, de la Max Planck Institute for Astronomy şi Swinburne University, au beneficiat de o coincidenţă cosmică: un quasar luminos, îndepărtat, acţionează ca un „far cosmic" ce iluminează, din spate, curentul de gaz. Rezultatele au fost publicate în data de 2 octombrie în cadrul Astrophysical Journal Letters.

Astronomii observă o galaxie îndepărtată ce este alimentată cu combustibil cosmic primordial. Imaginea prezintă o galaxie (aflată în centru) alimentată, la interior, de un flux de gaz rece ce este obţinut în cadrul unei simulări realizate cu ajutorul unui supercomputer, printr-o modelare a distribuţiei gazului ce participă în procesul de formare al unei galaxii. Un curent de gaz primordial, aflat în curgere spre interiorul galaxiei, este iluminat din spate de către un quasar îndepărtat, aflat în fundal (în partea din stânga, jos a imaginii. Quasarul este adăugat, printr-o prelucrare artistică a imaginii, împreună cu stelele din fundal). Folosind datele obţinute prin intermediul observatorului W. M. Keck Observatory, cel mai mare telescop optic din lume, cercetătorii conduşi de Neil Crighton (MPIA şi Swinburne University of Technology) au obţinut, pentru prima dată, o detecţie clară a procesului prin care gazul se acumulează (acreţie) către interiorul unei galaxii şi provoacă apariţia stelelor, proces care a fost prevăzut a avea loc în teorie, pe baza simulărilor cosmologice privind formarea galaxiilor. Această simulare, care a fost prezentată aici, a fost realizată în cadrul proiectului de cercetare a modului de formare al galaxiilor într-un context cosmologic (Making Galaxies în a Cosmological Context-MaGICC) în cadrul grupulul de lucru al MPIA. Credit: MPIA (G. STINSON/A. V. MACCIÒ).

Observarea sistematică a modului de absorbţie al gazului, în cadrul galaxiei analizate, a cuprins observaţiile realizate cu Large Binocular Telescope şi datele obţinute cu ajutorul spectrografului din cadrul W. M. Keck Observatory instalat pe telescopul având oglinzile principale de 10 metri, amplasat pe vârful muntelui Mauna Kea din Hawaii. Galaxia din prim-plan a fost descoperită de Charles Steidel, Gwen Rudie (California Institute of Technology) şi colaboratorii lor folosind spectrograful LRIS al Keck Observatory, aparţinând aceluiaşi telescop.

Teoria actuală cu privire la formarea galaxiilor similare propriei noastre galaxii, Calea Lactee, postulează că ele au fost alimentate cu hidrogen de la un mare rezervor de combustibil primordial, aflat în mediul intergalactic şi care umple vastele întinderi aflate între galaxii.

Cu aproximativ zece miliarde de ani în urmă, atunci când Universul avea doar o cincime din vârsta sa curentă, protogalaxiile timpurii au fost într-o stare de activitate extremă, formând stele noi cu o viteză de o sută de ori mai mare decât în prezent. Deoarece stelele se formează din gaz, acest proces necesită o sursă constantă de combustibil cosmic. În ultimul deceniu, simulările privind modul de formare al galaxiilor, realizate cu ajutorul supercomputerelor, au devenit atât de sofisticate încât ele pot prezice modul prin care galaxiile s-au format şi cum au fost acestea alimentate cu hidrogen: gazul curge spre galaxii ca prin nişte pâlnii care se formează în lungul unor „curenţi reci", într-un mod similar celui prin care curenţii de zăpadă se topesc şi formează un lac aflat pe un munte. Curenţii formaţi din gazul rece, ce provine din mediul intergalactic al galaxiilor, alimentează cu materie primă, în mod continuu, galaxia, contribuind la formarea de noi stele.

Cu toate acestea, testarea acestor predicţii s-a dovedit a fi extrem de dificilă, pentru că un astfel de gaz, aflat la marginea galaxiilor, este atât de rarefiat încât el emite o lumină având o slabă intensitate. În schimb, echipa de astronomi a căutat în mod sistematic exemple ale unor coincidenţe cosmice de un anumit tip. Quasarii constituie o etapă scurtă din ciclul de viaţă al galaxiilor, în timpul căreia ei au strălucit sub forma celor mai luminoase obiecte cosmice din Univers, fiind alimentate de materia aflată în cădere liberă într-o gaură neagră supermasivă. Din perspectiva noastră, de pe Pământ, vor exista cazuri rare în care un quasar îndepărtat, din fundal şi un curent de gaz primordial, aflat lângă o galaxie din prim-plan, se aliniază în mod exact pe cerul nopţii. Pe măsură ce lumina de la quasar călătoreşte spre Pământ, aceasta trece prin acea galaxie şi prin gazul primordial, înainte de a ajunge la telescoapele noastre. Gazul cosmic absoarbe, selectiv, lumina la anumite frecvenţe foarte specifice, pe care astronomii le denumesc „linii de absorbţie". Modelul şi forma acestor linii de absorbţie oferă un cod de bare cosmic pe care astronomii îl pot decoda pentru a determina compoziţia chimică, densitatea și temperatura gazului.

Folosind această tehnică, o echipă de astronomi condusă de Neil Crighton (Max Planck Institute for Astronomy, acum la Swinburne University of Technology, Melbourne) a găsit cea mai bună dovadă a modului în care curentul de gaz primordial, intergalactic, curge spre o galaxie. Galaxia, având indicativul Q1442-MD50, este atât de îndepărtată că lumina a avut nevoie de 11 miliarde de ani pentru ca ea să ajungă la noi. Gazul primordial, aflat în cădere spre această galaxie, se află la numai 190.000 de ani-lumină distanţă de galaxie, iar la o scară galactică această distanţă înseamnă că galaxia şi gazul se află într-o relativă vecinătate şi el este observat în cadrul siluetei ce apare în spectrul de absorbţie al celui mai îndepărtat quasar, aflat în fundal, denumit QSO J1444535291905.

Un element crucial ce a stat la baza descoperirii lor este detectarea semnăturii spectrale cosmice a deuteriului, un izotop stabil al hidrogenului (având un neutron în plus în nucleul său). Cosmologii au demonstrat că hidrogenul, heliul şi izotopii lor stabili, cum ar fi deuteriul, au fost cu toţii produşi în doar câteva minute după evenimentul Big Bang, atunci când Universul era suficient de fierbinte pentru a susţine reacţiile nucleare. Toate celelalte elemente mai grele cum ar fi carbonul, azotul şi oxigenul au fost create mult mai târziu în furnalele nucleare, fierbinţi, aflate în interiorul stelelor. Deoarece aceste condiţii fizice extreme, existente în nucleele stelelor, distrug izotopii fragili de deuteriu, descoperirea acestor izotopi în interiorul gazului confirmă că gazele care intră în galaxie sunt, într-adevăr, materia primordială rămasă în urma evenimentului Big Bang.

„Nu este pentru prima dată când astronomii au descoperit o galaxie având un gaz în apropiere, scos în evidenţă de către un quasar. Dar aceasta este pentru prima dată când totul se potriveşte", a spus Crighton. „Galaxia activă formează stele şi proprietăţile gazelor observate arată clar că ele sunt materia primordială rămasă din perioada Universului timpuriu, la scurt timp după Big Bang".

Descoperirea acestui sistem este o parte a unui studiu mai amplu cu privire la identificarea quasarilor care trec pe lângă galaxii şi care este coordonat de Joseph Hennawi, lider al grupului de cercetare ENIGMA al Max Planck Institute for Astronomy.

„Din moment ce această descoperire este rezultatul unui proces de căutare sistematică, putem acum deduce că aceşti curenţi reci sunt destul de obişnuiţi", a spus Hennawi. „A trebuit să identificăm un număr de 12 perechi formate dintr-un quasar şi o galaxie pentru a descoperi acest exemplu. Această rată de identificare este în acord cu prezicerile simulărilor computerizate, care au acordat un vot de încredere pentru teoriile noastre actuale în legătură cu modul în care se formează galaxiile".

Dorinţa astronomilor este de a găsi aproximativ zece exemple similare ale acestor curenţi reci, care să permită o comparaţie mult mai detaliată a observaţiilor astronomice cu previziunile modelelor numerice.

„Studiile anterioare ale acestor galaxii au arătat indicii privind existenţa gazului care curge în afara lor, pentru care avem, de asemenea, dovezi", a declarat J. Xavier Prochaska (University of California din Santa Cruz), un colaborator al studiului. „Cu toate acestea, cu ajutorul analizei mult mai precise a lui Neil noi am putut, de asemenea, detecta materia primă ce alimentează galaxiilor şi am putut astfel urmări cât de mult gaz intră în ele şi când anume, ceea ce reprezintă un indiciu cheie privind procesul de formare al galaxiilor".

Avishai Dekel (Hebrew University, Ierusalim) a contribuit la modelarea actuală, teoretică şi numerică, a modului prin care are loc acreţia curenţilor reci de gaz în cadrul galaxiilor. Deşi nu a fost implicat în această cercetare, el a comentat cu privire la rezultatele obţinute. „Aceasta este o constatare foarte interesantă", a spus Dekel. „Ea este în concordanţă cu predicţiile teoretice, bazate atât pe analiza caracteristicilor fizice, cât şi pe simulările cosmologice, privind modul în care galaxiile îndepărtate sunt alimentate de curenţii reci de gaz din spaţiul cosmic. Conţinutul scăzut de metale face ca în acest caz afluxul de gaz să fie mai convingător decât în cazul observaţiilor anterioare".