Galaxer finns i en mängd olika former och storlekar. Några av de viktigaste skillnaderna mellan galaxer, dock, relatera till var och hur de bildar nya stjärnor. Övertygande forskning för att förklara dessa skillnader har varit svårfångade, men det är på väg att ändras.

En stor, nytt forskningsprojekt med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), känd som PHANGS-ALMA (Physics at High Angular Resolution in Nearby GalaxieS), fördjupar sig i denna fråga med mycket större kraft och precision än någonsin tidigare genom att mäta demografin och egenskaperna hos häpnadsväckande 100, 000 individuella stjärnplantor spridda över 74 galaxer.

PHANGS-ALMA, en aldrig tidigare skådad och pågående forskningskampanj, har redan samlat på sig totalt 750 timmars observationer och gett astronomerna en mycket tydligare förståelse för hur cykeln av stjärnbildning förändras, beroende på storlek, ålder, och inre dynamik i varje enskild galax. Den här kampanjen är tio till etthundra gånger mer kraftfull (beroende på dina parametrar) än någon tidigare undersökning av sitt slag.

"Vissa galaxer sprudlar rasande med nya stjärnor medan andra för länge sedan har använt det mesta av sitt bränsle för stjärnbildning. Ursprunget till denna mångfald kan mycket troligt ligga i stjärnplantornas egenskaper, sa Erik Rosolowsky, en astronom vid University of Alberta i Kanada och en av huvudutredarna i forskargruppen PHANGS-ALMA.

Han presenterade de första resultaten av denna forskning vid det 233:e mötet i American Astronomical Society som hölls denna vecka i Seattle, Washington. Flera tidningar baserade på denna kampanj har också publicerats i Astrofysisk tidskrift och den Astrofysiska tidskriftsbrev .

"Tidigare observationer med tidigare generationer av radioteleskop ger några avgörande insikter om kylans natur, täta stellar plantskolor, " sade Rosolowsky. "Dessa observationer, dock, saknade känslighet, finskalig upplösning, och kraft att studera hela bredden av stjärnbarnkammare över hela befolkningen av lokala galaxer. Detta begränsade kraftigt vår förmåga att koppla beteendet eller egenskaperna hos enskilda stjärnbarnkammare till egenskaperna hos de galaxer de lever i."

I årtionden, astronomer har spekulerat i att det finns grundläggande skillnader i hur skivgalaxer av olika storlekar omvandlar väte till nya stjärnor. Vissa astronomer tror att större, och i allmänhet äldre galaxer, är inte lika effektiva på stjärnproduktion som sina mindre kusiner. Den mest logiska förklaringen skulle vara att dessa stora galaxer har mindre effektiva stjärnkammare. Men att testa denna idé med observationer har varit svårt.

För första gången, ALMA tillåter astronomer att genomföra den nödvändiga omfattande folkräkningen för att fastställa hur storskaliga egenskaper (storlek, rörelse, etc.) av en galax påverka cykeln av stjärnbildning på skalan av enskilda molekylära moln. Dessa moln är bara omkring några tiotal till några hundra ljusår över, som är fenomenalt liten på skalan av en hel galax, speciellt när det ses på miljontals ljusår bort.

"Stjärnor bildas mer effektivt i vissa galaxer än andra, men bristen på hög upplösning, observationer i molnskala innebar att våra teorier testades svagt, det är därför dessa ALMA-observationer är så kritiska, sa Adam Leroy, en astronom vid Ohio State University och co-Principal Investigator på PHANGS-ALMA-teamet.

En del av mysteriet med stjärnbildning, astronomerna noterar, har att göra med det interstellära mediet – all materia och energi som fyller utrymmet mellan stjärnorna.

Astronomer förstår att det finns en pågående återkopplingsslinga i och runt de stjärnornas plantskolor. Inom dessa moln, fickor av tät gas kollapsar och bildar stjärnor, som stör det interstellära mediet.

"Verkligen, att jämföra tidiga PHANGS-observationer med placeringen av nybildade stjärnor visar att de nybildade stjärnorna snabbt förstör sina födelsemoln, " sade Rosolowsky. "PHANGS-teamet studerar hur denna störning utspelar sig i olika typer av galaxer, vilket kan vara en nyckelfaktor för effektiviteten i stjärnbildande."

För denna forskning, ALMA observerar molekyler av kolmonoxid (CO) från alla relativt massiva, i allmänhet vända mot spiralgalaxer som är synliga från södra halvklotet. Molekyler av CO avger naturligt det millimetervåglängdsljus som ALMA kan detektera. De är särskilt effektiva för att framhäva platsen för stjärnbildande moln.

"ALMA är en fantastiskt effektiv maskin för att kartlägga kolmonoxid över stora områden i närliggande galaxer, ", sa Leroy. "Den kunde utföra den här undersökningen på grund av den kombinerade kraften hos 12-metersskålarna, som studerar finskaliga egenskaper, och de mindre, 7-meters skålar i mitten av matrisen, som är känsliga för storskaliga funktioner, i huvudsak fyller i luckorna."

En medföljande undersökning, PHANGS-MUSE, använder Very Large Telescope för att få optisk bild av de första 19 galaxerna som observerats av ALMA. MUSE står för Multi-Unit Spectroscopic Explorer. En annan undersökning, PHANGS-HST använder rymdteleskopet Hubble för att undersöka 38 av dessa galaxer för att hitta deras yngsta stjärnhopar. Tillsammans, dessa tre undersökningar ger en häpnadsväckande fullständig bild av hur väl galaxer bildar stjärnor genom att sondera kall molekylär gas, dess rörelse, platsen för joniserad gas (regioner där stjärnor redan bildas), och galaxernas kompletta stjärnpopulationer.

"Inom astronomi, vi har ingen förmåga att se kosmos förändras över tiden; tidsskalorna dvärgar helt enkelt människans existens, " noterade Rosolowsky. "Vi kan inte titta på ett objekt för alltid, men vi kan observera hundratusentals stjärnbildande moln i galaxer av olika storlekar och åldrar för att sluta oss till hur galaktisk evolution fungerar. Det är det verkliga värdet av PHANGS-ALMA-kampanjen."

"Vi tittar också på tusentals till tiotusentals stjärnbildande regioner inom varje galax, fånga dem över deras livscykel. Detta låter oss bygga en bild av födelsen och döden av stellar plantskolor över galaxer, något nästan omöjligt före ALMA, tillade Leroy.

Än så länge, PHANGS-ALMA har studerat cirka 100, 000 Orionnebulosaliknande objekt i det närliggande universum. Det förväntas att kampanjen så småningom kommer att observera cirka 300, 000 stjärnbildande regioner.