Jag hade aldrig sett sådana här galaxbilder förut. Ingen hade! Dessa bilder framhäver stjärnbildande regioner i närliggande galaxer. Det finns fortfarande ett antal obesvarade frågor kring hur stjärnbildning faktiskt sker. För att svara på dessa frågor observerar vi galaxer som aktivt bildar stjärnor i gigantiska gasmoln. Tills nyligen hade vi inte den upplösning som behövdes för att tydligt avbilda de enskilda gasmolnen själva. Men bilder som släppts av ett projekt som heter PHANGS (Physics at High Angular resolution in Nearby GalaxieS) i ett samarbete mellan European Southern Observatory Very Large Telescope och Atacama Large millimeter/submillmeter Array (ALMA) har gett aldrig tidigare sett detaljer om stjärnbildande moln i andra galaxer.
Denna bild kombinerar observationer av de närliggande galaxerna NGC 1300, NGC 1087, NGC 3627 (överst, från vänster till höger), NGC 4254 och NGC 4303 (nederst, från vänster till höger) tagna med Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) på ESO:s Very Large Telescope (VLT). Varje enskild bild är en kombination av observationer utförda vid olika våglängder av ljus för att kartlägga stjärnpopulationer och varm gas. Bild och bildbeskrivning PHANGS/ESO. Originalbild
Ett moln av stjärndamm
Stjärnor bildas från Giant Molecular Clouds (GMC) som huvudsakligen består av molekylärt väte (H)2). Gas inom dessa moln kollapsar under gravitationen och blir så småningom täta sfärer. Med ökningen i densitet och tryck gör värmen inom dessa sfärer kärnfusion möjlig att smälta samman väte till helium – en stjärna föds! Men vad utlöser gasens första kollaps? Varierar stjärnbildningshastigheten mellan olika moln i samma galax? Hur olika är själva molnen? Dessa är alla kapitel av stjärnbildning som vi inte är helt säkra på. Ange PHANGS.
PHANGS forskare valde målgalaxer med ett antal förutsättningar. Galaxerna måste vara tillräckligt nära så att de kunde avbildas med den upplösning som krävs för att se individuella GMC. Alla målen är därför inom 17 miljoner parsecs från Vintergatan (cirka 55 miljoner ljusår). Galaxerna är inte heller så lutande att de ger en klar siktlinje in i målgalaxernas skivor. Och, kanske viktigast av allt, målgalaxerna bildar aktivt stjärnor. Som 'Main Sequence Galaxies' bildar dessa galaxer stjärnor i sina skivor utan den externa gravitationsinteraktionen från en närliggande galax eller som ett resultat av galaxsammanslagningar som båda kan utlösa intensiva perioder av stjärnbildningsanrop stjärnan spricker . Dessa galaxer bildar snarare stjärnor genom processer internt i galaxen. 90 sådana galaxer uppfyllde kriterierna och valdes ut för undersökningen.
Dessa kontrasterande bilder visar den ökade upplösningen i kolmonoxiddetektering. Den vänstra visar tidigare undersökningar av kalla gasmoln i galaxen NGC 3627 kontra den ökade 'molnskala'-upplösningen som uppnåtts av PHANGS-ALMA och visar en mycket tydligare bild av GMC-platser i galaxen. c PHANGS-ALMA
Kallt och mörkt
Att upptäcka stjärnbildande regioner i målgalaxerna uppnås genom en kombination av att hitta kall gas såväl som heta gaser som värms upp av nybildade stjärnor. Kalla GMC som föder nya stjärnor kallas stellar plantskolor. De kan variera från tiotals till hundratals ljusår i diameter med en massa som motsvarar tusentals solar. Men vätet som dessa moln är gjorda av är svårt att se. När väte utsätts för energi lyser det och är lätt att upptäcka medan kallt väte gömmer sig i rymdens mörker. Men GMC innehåller också kolmonoxid (CO) som i kallt tillstånd är lättare att upptäcka än väte. Förhållandet mellan CO och väte i GMC förstås vara en konstant och så mängden detekterad CO-molekyl kan berätta hur mycket väte som finns i ett givet moln. Det är denna CO-signal som ALMA jagar.
Den här bilden visar fördelningen av kall (CO) vs varm (H-alfa) gas fördelad genom flera galaxer (färgerna är kontraintuitiva i detta diagram). Signaturerna för kall CO-gas kartläggs av ALMA medan den glödande heta H-alfa kartläggs av VLT. Den kombinerade kartan visar var nybildade stjärnor föds inom de kalla GMCs. c PHANGS-ALMA
När väl väte exciteras av energierna från nybildade och unga stjärnor frigör det ett ljus som kallas Hydrogen Alpha. H-alfa är den ljusaste egenskapen i spektrumet av glödande väte och är hur vi observerar mycket av universum. Att kombinera de varma och kalla kartorna över dessa GMC i andra galaxer avslöjar miljön där stjärnorna bildas. Ett instrument som heter MUSA på Very Large Telescope kartlägger den glödande H-Alpha där ALMA detekterar de kalla CO-utsläppen. De finaste detaljerna som lösts av ALMA i målgalaxerna är cirka 100 parsecs i diameter (cirka 326 ljusår). Forskarna noterar att detta är 'molnskalig' upplösning eftersom mål-GMC:erna också är cirka 100 parsecs i diameter. Vid denna upplösning kan molnen särskiljas som individuella strukturer separerade från strukturerna i resten av deras hemgalaxer.
ESO:s Very Large Telescope (VLT) visar den närliggande galaxen NGC 4303, en spiralgalax, med en stång av stjärnor och gas i mitten, belägen cirka 55 miljoner ljusår från jorden i stjärnbilden Jungfrun. De gyllene glöden motsvarar huvudsakligen moln av hett väte, vilket markerar närvaron av nyfödda stjärnor, medan de blåaktiga områdena i bakgrunden avslöjar fördelningen av lite äldre stjärnor.
c. PHANGS / ESO - Originalbild
En karta över nästa generation
Medan VLT-bilder i optiskt ljus ser ALMA avlägsna galaxer i infraröda och radiovåglängder. Dessa våglängder är användbara för att titta på strukturer som inte skulle vara synliga i optiska våglängder som kall gas. Men det finns en nackdel. Optiska våglängder kan vanligtvis ge finare upplösning för bildåtergivning och skapar en avvägning mellan synlighet och upplösning. Det imponerande resultatet av detta initiativ är att dessa nya ALMA-bilder uppnådde en upplösning i infraröd och radio som är nära optisk upplösning. Bilderna förbättras ytterligare genom att lägga till VLT:s optiska upplösningar samt data från rymdteleskopet Hubble i andra bilder.
NGC 4254 ALMA (orange/röd) data från kalla GMC-moln påtvingade data från Hubble Space Telescope,
Kredit: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / PHANGS, S. Dagnello (NRAO) originalbild
Mosaik av ALMA stjärnupptäckt barnkammare kombinerat med data från Hubble Space Telescope. Bilderna visar mångfalden av GMC-stjärnor som bildar moln från hela det närliggande universum. c. ALMA (ESO/NAOJ?NRAO)/PHANGS, S. Dangnello (NRAO)
Mängden detaljer är häpnadsväckande. Det här är inte enstaka bilder tagna av varje galax utan snarare mosaiker. Som jämförelse, den Trottier Observatory där jag arbetar skulle kunna avbilda Andromeda, en mycket närmare galax på 2,4 miljoner ljusår, i en mosaik med sex foton. Varje galax som avbildas i PHANGS-ALMA-projektet, trots att den är tiotals miljoner ljusår bort, är mosaiker som består av upp till två HUNDRA individbilder. Processen att avbilda alla 90 galaxer på den detaljnivån sträckte sig över totalt 6 år, vilket resulterade i en ny atlas över stjärnornas plantskolor – nästa generation av stjärnor som föds i universum.
Hur bildas stjärnor? – Video av Fraser Cain
100 000 stellar plantskolor avbildades mellan de 90 målgalaxerna. Fynd visar att placering i en galax kan förändra karaktären på stjärnbildning. Moln i centrala delar av galaxen är mer massiva, tätare och turbulenta än de som ligger längst ut på galaxens skiva. Den hastighet med vilken molnen bildar stjärnor, och den resulterande slutliga försvinnandet av molnet genom att de nya stjärnorna blåser bort gasen, verkar variera beroende på var molnet befinner sig i sin hemgalax.
Atacma Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) med en dramatisk meteor ovanför.
c. DEN DÄR/ C. Malin
En delad vy
De faciliteter som behövs för att fånga dessa bilder är kraftfulla och ganska pittoreska i sig. Snarare än ett stort teleskop, SJÄL är en samling av 66 rätter spridda över Chajnantor-platån i Atacamaöknen, Chile. Signaler som samlas in av arrayen kombineras effektivt och skapar en gigantisk maträtt. De enskilda rätterna kan också arrangeras om beroende på behoven i ett givet projekt. De Mycket stort teleskop , som också ligger i Atacama, består av fyra teleskop, två med 8,2 m speglar och två mindre 1,8 m speglar. Liksom ALMA arbetar teleskopen tillsammans och skapar ett större teleskop.
Teleskopet 'Yepun', ett av fyra av VLT-teleskopen som ses här avfyra en adaptiv optik laser in i himlen som kompenserar för förvrängning av atmosfären och skapar en skarpare bild. c. ESO/ Y. Beletsky
Även om det här är de mest detaljerade bilderna i sitt slag, är upplösningen som uppnås av PHANGS-ALMA fortfarande precis vid den tröskel som behövs för att avbilda individuella GMC i målgalaxerna. Men nu när dessa stjärnbildande regioner har kartlagts, kommer framtida teleskop som det snart att lanseras James Webb rymdteleskop och den Extremt stort teleskop (nästa efter kommer att varaUltraLarge antar jag) kommer att kunna återbesöka dessa GMC med tillräcklig upplösning för att peerinutisjälva molnen ger ännu fler insikter om stjärnbildning.
Kosmiska ursprung
Vi var en gång en del av ett gigantiskt molekylärt moln du och jag. Allt som bestod av din kropp, datorn du läser detta på och planeten vi bebor började från ett enormt moln av stjärndamm. Framtiden för teleskopisk rymdutforskning är så lockande. James Webb kommer inte bara att ha förmågan att studera stjärnbildning i närliggande galaxer, utan avbilda några av de första stjärnorna som någonsin föddes i universum. ELT:s primärspegel blir 39 meter i diameter! Dess omslutande kupol storleken på en fotbollsplan. Vi befinner oss på branten av åsikter om universum till skillnad från vi någonsin sett förut och i slutändan nya förståelser av vårt eget ursprung i kosmos.
Funktionsbild:Bild av galaxen NGC 3627 i stjärnbilden LEO. Det gyllene gasskenet motsvarar moln av joniserat väte, medan de blåaktiga områdena avslöjar fördelningen av lite äldre stjärnor. Kredit: ESO/PHANGS
Följ Matthew vidare Instagram och Twitter för fler berättelser från SPAAAACE!
Mer att utforska:
Galaktiska fyrverkerier: nya ESO-bilder avslöjar fantastiska egenskaper hos närliggande galaxer | ESO (Med originalbilderna)
[2104.07739] PHANGS-ALMA: Arcsecond CO(2-1) avbildning av närliggande stjärnbildande galaxer (arxiv.org) (Open Access Originating Research Paper)
PHANGS-HST | IPAC (caltech.edu)
En galax gör nya stjärnor snabbare än dess svarta hål kan svälta dem efter bränsle – universum idag
Universum i bildning. Hubble ser 6 exempel på sammanslagna galaxer – universum idag
Atacama Large Millimeter/submillimeter Array | ALMA (almaobservatory.org)
En kraftfull ny laser kommer att förbättra adaptiv optik – universum idag