Doktorant Zakładu Astrofizyki Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Giuliano Lorenzon, stanął na czele międzynarodowego zespołu, którego wyniki – opublikowane w prestiżowym czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters – dostarczają jednych z najgłębszych jak dotąd obserwacyjnych ograniczeń dotyczących zawartości gazu molekularnego i pyłu w masywnych galaktykach nieaktywnych.

Przez dziesięciolecia astronomowie wyobrażali sobie takie galaktyki jako układy całkowicie „wymarłe”, w których proces formowania gwiazd ustał na skutek zużycia lub usunięcia niemal całego zimnego gazu. W klasycznym obrazie gaz molekularny i drobne ziarna pyłu – podstawowe składniki nowych gwiazd – miały występować wyłącznie w galaktykach aktywnych. Obserwacje wykonane z użyciem teleskopów Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) – jednego z najczulszych na świecie obserwatoriów do badania zimnego Wszechświata – wskazują na znacznie bardziej złożony przebieg ewolucji tych galaktyk, niż dotąd zakładano. Zespół kierowany przez Giuliano Lorenzona wykorzystał wyjątkową czułość ALMA, aby przeprowadzić jedno z najgłębszych jak dotąd poszukiwań zimnego ośrodka międzygwiazdowego w masywnych galaktykach wygasłych poza lokalnym Wszechświatem. Badania objęły populację masywnych galaktyk w dobrze scharakteryzowanym polu COSMOS, obserwowanych w epoce sprzed około czterech miliardów lat, czyli długo po zakończeniu ich głównej fazy formowania gwiazd. Uzyskane wyniki dostarczają nowych, bezpośrednich ograniczeń obserwacyjnych dla modeli ewolucji galaktyk i wskazują, że nawet systemy uznawane za „martwe” mogą zawierać śladowe ilości materiału gwiazdotwórczego.
 

Pył i gaz rozdzielają się po ostygnięciu

Mierząc zarówno słabe promieniowanie milimetrowe z ziaren pyłu, jak i tlenku węgla, kluczowego wskaźnika wodoru cząsteczkowego, naukowcy mogli bezpośrednio oszacować, ile pyłu i gazu nadal zawierają te galaktyki około miliarda lat po tym, jak przestały tworzyć gwiazdy.

Wyniki są zaskakująco zróżnicowane. Niektóre galaktyki rzeczywiście zawierają niewiele pyłu i gazu w porównaniu z masą gwiazd, co odpowiada klasycznemu modelowi układów, które skutecznie wyczerpały lub zniszczyły swój środek międzygwiazdowy. Inne natomiast, mimo że są bardzo stare, zawierają dużo pyłu lub gazu, a stosunek pyłu do gazu jest podobny do typowych wartości przyjmowanych dla aktywnych galaktyk, takich jak Droga Mleczna.

„Od dawna wiemy, że niektóre nieaktywne galaktyki nadal zawierają pył i gaz molekularny” – mówi Giuliano Lorenzon, pierwszy autor badania i główny badacz programu ALMA. „Zupełnie nowym odkryciem jest to, że możemy jednocześnie zważyć oba składniki w wielu galaktykach. Pokazujemy, że zegary ewolucyjne dla pyłu i gazu nie zawsze są ze sobą ściśle powiązane po zakończeniu formowania się gwiazd”.

Zespół odkrył, że zanik zasobów pyłu i gazu następuje w bardzo różnych skalach czasowych, albo bardzo szybko (w ciągu kilkuset milionów lat), albo znacznie wolniej (w ciągu kilku miliardów lat). Innymi słowy, nie ma jednej ścieżki, którą podążają galaktyki, aby zakończyć swoją ewolucję i zestarzeć się, co podważa wiele obecnych modeli teoretycznych.

Nowe spojrzenie na proces starzenia się galaktyk

To złożone zachowanie potwierdza scenariusz, w którym po wygaszeniu procesu formowania się gwiazd pył i gaz molekularny mogą ewoluować w dużej mierze niezależnie. Procesy takie jak powstawanie i niszczenie ziaren pyłu, powolny napływ świeżego gazu lub usuwanie przez sprzężenie zwrotne czarnej dziury mogą pozostawiać różne ślady, nawet jeśli nie powstają żadne nowe gwiazdy.

„Nasze wyniki potwierdzają, że całkowity brak pyłu i gazu nie jest uniwersalnym znakiem rozpoznawczym starych, pasywnych galaktyk” – mówi Darko Donevski, kierownik badań w NCBJ i SISSA (Triest, Włochy), który współtworzył projekt badania i strukturę interpretacji wyników. „Niektóre z tych układów potrafią zachować, a nawet odbudować zaskakująco bogaty i złożony ośrodek międzygwiazdowy długo po zakończeniu ostatniego okresu formowania się gwiazd. Nie są one nudnymi reliktami świetlanej przeszłości, ale mogą nadal ewoluować w subtelny, ale ważny sposób”.

Badanie stanowi również ostrzeżenie dla obserwatorów. Ponieważ pył i gaz mogą się rozdzielić po wygaszeniu, zwyczajowa praktyka wykorzystywania emisji pyłu jako prostego wskaźnika gazu molekularnego może być myląca w przypadku starych galaktyk: silny sygnał pyłu niekoniecznie oznacza duże zasoby gazu i vice versa.

„Oznacza to, że nie możemy jednoznacznie wnioskować, w jaki sposób galaktyki kończą proces formowania gwiazd, patrząc wyłącznie na pył lub wyłącznie na gaz” – dodaje Lorenzon. „Aby zrozumieć, w jaki sposób galaktyki tracą lub uzupełniają swoje paliwo, potrzebujemy obu elementów układanki”.

Perspektywy na przyszłość

Dzięki potrojeniu liczby nieaktywnych galaktyk, w przypadku których dokonano bezpośrednich pomiarów stosunku pyłu do gazu, badanie to daje znacznie lepszy wgląd w późną fazę ewolucji masywnych galaktyk. Autorzy postrzegają to jako pierwszy krok w kierunku połączenia obrazu zimnego gazu i pyłu uzyskanych przez ALMA ze szczegółowym obrazem starych gwiazd i ciepłego pyłu uzyskanym przez teleskop kosmiczny Jamesa Webba w podczerwieni.

Profesor Allison Man z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej w Vancouver, współautorka badania i ekspertka w zakresie obserwacji ALMA, podkreśla tę synergię: „Nieaktywne galaktyki są często traktowane jako punkt końcowy ewolucji galaktyk, ale ALMA i JWST pokazują nam, że ich historia na tym się nie kończy. Sposób, w jaki zatrzymują, przekształcają lub pozbywają się pozostałego gazu i pyłu, powie nam wiele o tym, jak galaktyki starzeją się w różnych środowiskach”.

„To naprawdę tylko wierzchołek góry lodowej” – mówi Donevski. „Dzięki przyszłym dogłębnym obserwacjom, które będą łączyć ALMA i JWST, możemy śledzić, jak galaktyki starzeją się, odzyskują materiał i po cichu zmieniają swój kształt długo po zakończeniu okresu intensywnego tworzenia gwiazd. Będzie to również ważny argument naukowy dla przyszłych misji, takich jak PRIMA”.

Praca ta podkreśla, że nawet galaktyki od dawna uznawane za „martwe” mogą nadal skrywać bogate, dynamiczne wnętrze – i że wszechświat nie wyczerpał jeszcze swoich niespodzianek, nawet w miejscach, które uważaliśmy za najlepiej poznane.