Uciekający gaz - ALMA dostrzega cień wypływu molekularnego gazu z kwazara, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat

Przewidywania teoretyczne zostały potwierdzone odkryciem wypływu cząsteczkowego gazu z kwazara, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat. Wyniki uzyskane na podstawie obserwacji teleskopu ALMA mają duże znaczenie dla zrozumienia procesów formowania się gwiazd w galaktykach. W pracach zespołu badawczego uczestniczył dr Darko Donevski z Zakładu Astrofizyki NCBJ.

Wspólna informacja prasowa Uniwersytetu Hokkaido, Uniwersytetu Tsukuba, Uniwersytetu Waseda, Narodowego Obserwatorium Astronomicznego Japonii oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ).

Przewidywania teoretyczne zostały potwierdzone odkryciem wypływu cząsteczkowego gazu z kwazara, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat.

Kwazar to zwarta przestrzeń, której świecenie napędzane jest przez supermasywną czarną dziurę znajdującą się w centrum masywnej galaktyki. Kwazary są niezwykle jasne, wyglądem przypominają gwiazdy i znajdują się w ogromnej odległości od Ziemi. Ze względu na swoją odległość i jasność, zapewniają okazję do spojrzenia na warunki we wczesnym Wszechświecie, gdy miał on mniej niż miliard lat.

Zespół badaczy pod przewodnictwem doktora Dragana Salaka z Uniwersytetu Hokkaido, doktora Takuyi Hashimoto z Uniwersytetu Tsukuba oraz profesora Akio Inoue z Uniwersytetu Waseda odkrył pierwsze dowody na spowalnianie procesu formowania się gwiazd powodowane przez wypływ cząsteczkowego gazu w galaktyce gospodarza kwazara we wczesnym Wszechświecie. Ich wyniki, oparte na obserwacjach za pomocą Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) w Chile, zostały opublikowane w czasopiśmie The Astrophysical Journal.

A group of ALMA 12-m antennas observing the night sky. Observations in this study were made using the 12-m antennas. (Photo: ESO/Y. Beletsky)

Cząsteczkowy gaz jest niezbędny do powstawania gwiazd. Stanowi on główne paliwo dla ich formowania się. Jego powszechność i wysoka koncentracja w galaktyce prowadziłyby do powstania ogromnej liczby gwiazd. Poprzez wyrzucanie tego gazu w przestrzeń międzygalaktyczną szybciej, niż mogłyby go zużyć procesy formowania, wypływy cząsteczkowe skutecznie hamują tempo formowanie się gwiazd w galaktykach, które są gospodarzami kwazarów.

"Prace teoretyczne sugerują, że od wczesnego okresu historii Wszechświata wypływy cząsteczkowego gazu odgrywają ważną rolę w formowaniu i ewolucji galaktyk, ponieważ mogą regulować powstawanie gwiazd" - wyjaśnia doktor Salak. "Kwazary są szczególnie energetycznymi źródłami, więc spodziewaliśmy się, że mogą generować potężne wypływy".

Kwazar, którym zainteresowali się badacze - J2054-0005 - ma bardzo duże przesunięcie ku czerwieni, co jest sygnałem, że Ziemia i ten kwazar oddalają się od siebie bardzo szybko. "J2054-0005 jest jednym z najjaśniejszych kwazarów we wszechświecie odległym, dlatego postanowiliśmy skierować swoją uwagę na ten obiekt jako doskonały kandydat do badania potężnych wypływów" - mówi doktor Hashimoto. Badacze użyli interferometru radiowego ALMA do obserwacji wydobywającego się gazu molekularnego z kwazara. Jako jedyny teleskop na świecie, który ma taką czułość i zakres częstotliwości, aby wykrywać wypływy gazu molekularnego we wczesnym wszechświecie, ALMA miał kluczowe znaczenie dla przeprowadzonej analizy.


Mówiąc o metodzie zastosowanej w badaniu, dr Salak komentuje: "Ślady wydobywającego się gazu molekularnego (OH) odkryto w widmie absorpcji. Oznacza to, że nie obserwowaliśmy bezpośrednio promieniowania mikrofalowego pochodzącego od cząsteczek OH; zamiast tego obserwowaliśmy promieniowanie pochodzące od jasnego kwazara, a absorpcja oznacza, że cząsteczki OH pochłonęły część promieniowania pochodzącego niego. To było jak odkrywanie obecności gazu poprzez obserwację "cienia", który został rzucony przed źródłem światła."


Wyniki tego badania stanowią pierwsze silne dowody na istnienie potężnych wypływów gazu molekularnego z galaktyk gospodarzy kwazarów i ich wpływ na ewolucję galaktyk we wczesnym okresie kosmicznym. "Gaz molekularny jest bardzo ważnym składnikiem galaktyk, ponieważ jest paliwem do tworzenia gwiazd" - podsumowuje Salak. "Nasze wyniki pokazują, że kwazary są zdolne do hamowania formowania gwiazd w swoich galaktykach przez wyrzucanie gazu molekularnego do międzygalaktycznej przestrzeni."

Informacje uzupełniające

Udział naukowców NCBJ w odkryciu

W pracach międzynarodowego zespołu badawczego brał udział Dr Darko Donevski, adiunkt w Zakładzie Astrofizyki w Narodowym Centrum Badań Jądrowych. Dr Donevski, który jest laureatem grantu Narodowego Centrum Nauki (NCN), uczestniczył w obserwacjach i analizie danych uzyskanych za pomocą interferometru ALMA - jednego z najpotężniejszych instrumentów astronomicznych naziemnych. Dr Donevski zastosował metodę zwaną "modelowaniem widmowym" i stwierdził, że prawdopodobne jest, że w centrum obserwowanej odległej galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura. Przyszłe obserwacje uzupełniające za pomocą teleskopów kosmicznych powinny potwierdzić lub wykluczyć tę prognozę. Były to pierwsze badania, w których naukowcy z NCBJ uczestniczyli w odkryciu masywnych kwazarów pylistych, które powstały w ciągu pierwszego miliarda lat historii kosmosu. Naukowcy NCBJ planują zajmować się ta tematyką także w nadchodzących latach.

Publikacja oryginalna

Dragan Salak, et al. Molecular outflow in the reionization-epoch quasar J2054-0005 revealed by OH 119 μm observations. The Astrophysical Journal. February 1, 2024. DOI: 10.3847/1538-4357/ad0df5

Informacje o źródłach finansowania badań

This study was supported by the ALMA Japan Research Grant of National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) Project (NAOJ-ALMA-294, NAOJ-ALMA-2018-09B); Leading Initiative for Excellent Young Researchers, Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology of Japan (MEXT; HJH02007); Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (22H01258, 7H06130, 20H01951, 22H0493); National Science Center (NCN) SONATA (UMO-2020/39/D/ST9/00720); and the Japan Science and Technology Agency (JST) SPRING (JPMJSP2119).

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of the European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere (ESO), the U.S. National Science Foundation (NSF) and the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded by ESO on behalf of its Member States, by NSF in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science and Technology Council (NSTC) in Taiwan and by NINS in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan and the Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

ALMA construction and operations are led by ESO on behalf of its Member States; by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), managed by Associated Universities, Inc. (AUI), on behalf of North America; and by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) on behalf of East Asia. The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.