Galaxer växer genom att ackumulera gas från sin omgivning och omvandla den till stjärnor, men detaljerna i denna process har förblivit grumliga. Nya observationer, gjord med hjälp av Keck Cosmic Web Imager (KCWI) vid W. M. Keck Observatory på Hawaii, ge nu det tydligaste, det mest direkta beviset hittills på att filament av kall gas spiralerar in i unga galaxer, levererar bränsle till stjärnor.

"För första gången, vi ser filament av gas spiral direkt in i en galax. Det är som en pipeline som går rakt in, säger Christopher Martin, en professor i fysik vid Caltech och huvudförfattare till en ny artikel som visas i 1 juli-numret av tidskriften Natur astronomi . "Denna gasledning upprätthåller stjärnbildning, förklarar hur galaxer kan skapa stjärnor på mycket snabba tidsskalor."

I åratal, astronomer har diskuterat exakt hur gas tar sig till galaxernas centrum. Värmer den upp dramatiskt när den kolliderar med den omgivande heta gasen? Eller strömmar den in längs tunna täta filament, förbli relativt kall? "Modern teori tyder på att svaret förmodligen är en blandning av båda, men att bevisa förekomsten av dessa kalla gasströmmar hade varit en stor utmaning fram till nu, " säger medförfattaren Donal O'Sullivan (MS '15), en Ph.D. student i Martins grupp som byggde en del av KCWI.

KCWI, designad och byggd på Caltech, är en toppmodern spektralkamera. Kallas en integralfältsenhetsspektrograf, det tillåter astronomer att ta bilder så att varje pixel i bilden innehåller ett spritt spektrum av ljus. Installerades på Keck i början av 2017, KCWI är efterträdaren till Cosmic Web Imager (CWI), ett instrument som har opererats vid Palomar Observatory nära San Diego sedan 2010. KCWI har åtta gånger den rumsliga upplösningen och 10 gånger den känslighet som CWI.

"Den huvudsakliga drivkraften för att bygga KCWI var att förstå och karakterisera den kosmiska webben, men instrumentet är väldigt flexibelt, och forskare har använt det, bland annat, att studera naturen av mörk materia, att undersöka svarta hål, och för att förfina vår förståelse av stjärnbildning, säger medförfattaren Mateusz (Matt) Matuszewski (MS '02, Ph.D. '12), en senior instrumentforskare vid Caltech.

Frågan om hur galaxer och stjärnor bildas ur ett nätverk av trasiga filament i rymden – det som är känt som det kosmiska nätet – har fascinerat Martin sedan han var doktorand. För att hitta svar, han ledde teamen som byggde både CWI och KCWI. Under 2017, Martin och hans team använde KCWI för att skaffa data om två aktiva galaxer kända som kvasarer, heter UM 287 och CSO 38, men det var inte själva kvasarerna de ville studera. Nära var och en av dessa två kvasarer finns en gigantisk nebulosa, större än Vintergatan och synlig tack vare den starka belysningen av kvasarerna. Genom att titta på ljus som sänds ut av väte i nebulosorna – närmare bestämt en atomär emissionslinje som kallas väte Lyman-alpha – kunde de kartlägga gasens hastighet. Från tidigare observationer vid Palomar, teamet visste redan att det fanns tecken på rotation i nebulosorna, men Keck-data avslöjade mycket mer.

"När vi använde Palomars CWI tidigare, vi kunde se vad som såg ut som en roterande skiva av gas, men vi kunde inte urskilja några filament, " säger O'Sullivan. "Nu, med ökningen av känslighet och upplösning med KCWI, vi har mer sofistikerade modeller och kan se att dessa föremål matas av gas som strömmar in från fästa filament, vilket är ett starkt bevis på att den kosmiska webben är ansluten till och driver denna skiva."

Martin och kollegor utvecklade en matematisk modell för att förklara hastigheterna de såg i gasen och testade den på UM287 och CSO38 såväl som på en simulerad galax.

"Det tog oss mer än ett år att komma fram till den matematiska modellen för att förklara gasens radiella flöde, " säger Martin. "När vi gjorde det, vi blev chockade över hur bra modellen fungerar."

Fynden ger de bästa bevisen hittills för kallflödesmodellen för galaxbildning, som i princip säger att kall gas kan flöda direkt in i bildande galaxer, där det omvandlas till stjärnor. Innan denna modell blev populär, Forskare hade föreslagit att galaxer drar in gas och värmer upp den till extremt höga temperaturer. Därifrån, gasen troddes gradvis svalna, ger en stadig men långsam tillförsel av bränsle för stjärnor. 1996, forskning från Caltechs Charles (Chuck) Steidel, Lee A. DuBridge professor i astronomi och medförfattare till den nya studien, ifrågasatte denna modell. Han och hans kollegor visade att avlägsna galaxer producerar stjärnor i en mycket hög hastighet - för snabbt för att kunna förklaras av den långsamma sedimenteringen och avkylningen av het gas som var en favoritmodell för bränsle för unga galaxer.

"Genom åren, vi har skaffat fler och fler bevis för kallflödesmodellen, " säger Martin. "Vi har kallat vår nya version av modellen "cold-flow inspiral", ' eftersom vi ser spiralmönstret i gasen."

"Denna typ av mätningar är precis den typ av vetenskap vi vill göra med KCWI, " säger John O'Meara, chefsforskare vid Keck Observatory. "Vi kombinerar kraften i Kecks teleskopstorlek, kraftfull instrumentering, och en fantastisk astronomisk plats för att tänja på gränserna för vad som är möjligt att observera. Det är väldigt spännande att se detta resultat i synnerhet, eftersom att direkt observera inflöden har varit något av en felande länk i vår förmåga att testa modeller av galaxbildning och evolution. Jag kan inte vänta på att se vad som kommer härnäst."

Den nya studien, betitlad, "Multi-filamentgasinflöden som ger bränsle till unga stjärnbildande galaxer, " finansierades av National Science Foundation (NSF), W. M. Keck-observatoriet, Caltech, och Europeiska forskningsrådet.