Astronomer har använt ESA:s Herschel Space Observatory för att lösa ett årtionden gammalt mysterium om ursprunget till kraftfulla svala gasvindar i kvasarernas heta omgivningar. Bevisen som kopplar dessa kraftfulla vindar till stjärnbildning i kvasarvärdgalaxerna kan också hjälpa till att lösa mysteriet om varför storleken på galaxer i universum verkar vara begränsad.

Sedan deras upptäckt på 1960-talet har kvasarer tillhandahållit en skattkammare av frågor för astronomer att svara på. Dessa energikällor – upp till 10 000 gånger ljusare än Vintergatan – är kärnor i avlägsna galaxer med supermassiva svarta hål i hjärtat. När gas dras in i en ansamlingsskiva mot det svarta hålet värms den upp till mycket höga temperaturer och strålar ut energi över det elektromagnetiska spektrumet från radio till röntgenstrålar – på detta sätt skapas kvasarens signaturljusstyrka.

I fem decennier, astronomer har studerat kvasarernas spektra för att avslöja ursprunget till den elektromagnetiska strålning de sänder ut och för att spåra den väg ljuset har korsat för att nå oss.

Ett värdefullt verktyg för att förstå denna resa är absorptionslinjerna i kvasarernas strålningsspektra. Dessa linjer indikerar de våglängdsområden som har absorberats när strålningen färdats från källan till observatören, ger ledtrådar till materialet den passerade genom. Över tid, studien av dessa linjer har spårat sammansättningen av galaxer och gasmoln som ligger mellan oss och dessa avlägsna lysande objekt, men en uppsättning absorptionslinjer har förblivit oförklarade.

Astronomer har observerat absorptionslinjer i många kvasarer som tyder på absorption på vägen av kall gas med tungmetallelement som kol, magnesium och kisel. Linjerna signalerar att ljuset har färdats genom vindar av kall gas som färdas med hastigheter på tusentals kilometer per sekund inom kvasarernas värdgalaxer. Även om kunskapen om att dessa vindar existerar inte är något nytt för deras ursprung, och varför de kan nå så imponerande hastigheter, har förblivit okänd.

Nu, astronomen Peter Barthel och hans doktorand Pece Podigachoski, båda från Groningen University Kapteyn Institute, tillsammans med kollegorna Belinda Wilkes från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (USA) och Martin Haas vid Ruhr-Universität Bochum (Tyskland) har belyst de kalla vindarnas ursprung. Med hjälp av data som erhållits med ESA:s Herschel Space Observatory har astronomerna visat, för första gången, att styrkan hos metallabsorptionslinjerna som är förknippade med dessa mystiska gasvindar är direkt kopplad till takten för stjärnbildning inom kvasarvärdgalaxerna. När astronomerna hittar denna trend kan astronomerna med viss tillförsikt säga att häpnadsväckande stjärnbildning inom värdgalaxen kan vara mekanismen som driver dessa mystiska och kraftfulla vindar.

"Att identifiera denna tendens för produktiv stjärnbildning att vara nära relaterad till kraftfulla kvasarvindar är ett spännande fynd för oss, " förklarar Pece Podigachoski. "En naturlig förklaring till detta är att vindarna drivs av starburst och produceras av supernovor – som är kända för att inträffa med stor frekvens under perioder av extrem stjärnbildning."

Denna nya koppling löser inte bara ett pussel om kvasarer utan kan också bidra till att reda ut ett ännu större mysterium:varför verkar storleken på galaxer som observeras i vårt universum vara begränsade i praktiken, fast inte i teorin.

"Bortsett från frågan om vilka processer som är ansvariga för gasvindarna, deras nettoeffekt är ett mycket viktigt ämne i dagens astrofysik, " förklarar Peter Barthel. "Även om teorier förutspår att galaxer kan bli väldigt stora, ultramassiva galaxer har inte observerats. Det verkar som om det finns en process som fungerar som en broms för bildandet av sådana galaxer:inre gasvindar kan till exempel vara ansvariga för denna så kallade negativa feedback."

Teorin förutspår att galaxer ska kunna växa till massor som är hundra gånger större än någon någonsin observerat. Det faktum att det finns ett underskott av giganter i universum antyder att det finns en process som utarmar galaxernas gasreserver innan de kan nå sin fulla potential. Det finns två mekanismer som sannolikt kommer att leda till denna utarmning av gas:den första är supernovavindarna som är förknippade med starbursts, den andra, vindarna förknippade med det supermassiva svarta hålet i hjärtat av varje kvasar. Även om båda mekanismerna sannolikt spelar en roll, bevisen på korrelation mellan kalla gasvindar och stjärnbildningshastighet som hittats av detta team tyder på att i fallet med kvasarer, stjärnbildning, som kräver en stadig tillförsel av kall gas, kan vara den viktigaste boven i att tappa galaxen av gas och undertrycka dess förmåga att växa nästa generation av stjärnor.

"Detta är ett viktigt resultat för kvasarvetenskapen, och en som förlitade sig på Herschels unika kapacitet, " förklarar Göran Pilbratt, Herschel Project Scientist vid ESA. "Herschel observerar ljus i det avlägsna infraröda och submillimeter som möjliggör den detaljerade kunskapen om stjärnbildningshastigheten i de observerade galaxerna som behövdes för att göra denna upptäckt."