Stjärnhopar bildas genom kondensation av molekylära moln, massor av kyla, tät gas som finns i varje galax. De fysiska egenskaperna hos dessa moln i vår egen galax och närliggande galaxer har varit kända under lång tid. Men är de identiska i avlägsna galaxer som är mer än 8 miljarder ljusår bort? För första gången, ett internationellt team ledd av universitetet i Genève (UNIGE) har kunnat upptäcka molekylära moln i en Vintergatans stamfader, tack vare den oöverträffade rumsliga upplösningen som uppnås i en så avlägsen galax. Dessa observationer, publiceras i Natur astronomi , visa att de avlägsna molnen har en högre massa, täthet och intern turbulens än molnen som finns i närliggande galaxer och att de producerar mycket fler stjärnor. Astronomerna tillskriver dessa skillnader till de omgivande interstellära förhållandena i avlägsna galaxer, som är för extrema för att de molekylära molnen som är typiska för närliggande galaxer ska överleva.

Molekylära moln består av täta, kall molekylär vätgas som virvlar runt med överljudshastigheter, genererar densitetsfluktuationer som kondenserar och bildar stjärnor. I närliggande galaxer, som Vintergatan, ett molekylärt moln producerar mellan 10+3 och 10+6 stjärnor. I avlägsna galaxer, dock, ligger mer än 8 miljarder ljusår bort, astronomer har observerat gigantiska stjärnhopar som innehåller upp till 100 gånger fler stjärnor. Varför är det en sådan skillnad?

Exceptionell observation möjliggjord med hjälp av ett kosmiskt förstoringsglas

För att svara på denna fråga, astronomerna kunde använda ett naturligt teleskop – fenomenet gravitationslinser – i kombination med ALMA (Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array), en interferometer som består av 50 millimetriska radioantenner som rekonstruerar hela bilden av en galax direkt. "Gravitationslinser är ett naturligt teleskop som producerar en förstoringsglaseffekt när ett massivt föremål är inriktat mellan betraktaren och det avlägsna föremålet, " förklarar Miroslava Dessauges, en forskare vid institutionen för astronomi vid UNIGE:s naturvetenskapliga fakultet och första författare till studien. "Med denna effekt, vissa delar av avlägsna galaxer är utsträckta på himlen och kan studeras med en oöverträffad upplösning på 90 ljusår!" ALMA, under tiden, kan användas för att mäta nivån av kolmonoxid, som fungerar som ett spår av molekylär vätgas som utgör de kalla molnen.

Denna upplösning gjorde det möjligt att karakterisera de molekylära molnen individuellt i en avlägsen galax, med smeknamnet "kosmisk orm, " 8 miljarder ljusår bort. "Det är första gången vi har kunnat peka ut molekylära moln från varandra, säger Daniel Schaerer, professor vid UNIGEs institution för astronomi. Astronomerna kunde därför jämföra massan, storlek, densitet och inre turbulens hos molekylära moln i närliggande och avlägsna galaxer. "Man trodde att molnen hade samma egenskaper i alla galaxer hela tiden, fortsätter den Genève-baserade forskaren, men våra observationer har visat motsatsen!"

Molekylära moln som är resistenta mot extrema miljöer

Dessa nya observationer avslöjade att de molekylära molnen i avlägsna galaxer hade en massa, densitet och turbulens 10 till 100 gånger högre än i närliggande galaxer. "Sådana värden hade bara uppmätts i moln i närliggande interagerande galaxer, som har interstellära mediumförhållanden som liknar dem i avlägsna galaxer, ", tillägger Miroslava Dessauges. Forskarna kunde koppla skillnaderna i molnens fysiska egenskaper med de galaktiska miljöerna, som är mer extrema och fientliga i avlägsna galaxer än i närmare galaxer. "Ett molekylärt moln som vanligtvis finns i en närliggande galax skulle omedelbart kollapsa och förstöras i det interstellära mediet av avlägsna galaxer, därför garanterar dess ökade täthet och turbulens dess överlevnad och jämvikt, " förklarar Miroslava Dessauges. "Den karakteristiska massan av de molekylära molnen i den kosmiska ormen verkar vara i perfekt överensstämmelse med förutsägelserna i vårt scenario av fragmentering av turbulenta galaktiska skivor. Som ett resultat, detta scenario kan framställas som mekanismen för bildandet av massiva molekylära moln i avlägsna galaxer, " tillägger Lucio Mayer, professor vid centrum för fysisk och kosmologisk teori vid universitetet i Zürich.

Det internationella teamet upptäckte också att effektiviteten av stjärnbildning i Cosmic Snake galaxen är särskilt hög, sannolikt utlöst av molnens mycket överljuds turbulens. "I närliggande galaxer, ett molekylärt moln bildar cirka 5 procent av sin massa i stjärnor. I avlägsna galaxer, denna siffra stiger till 30 procent, " konstaterar Daniel Schaerer.

Astronomerna kommer nu att studera andra avlägsna galaxer för att bekräfta deras observationsresultat som erhållits för den kosmiska ormen. Miroslava Dessauges säger avslutningsvis:"Vi kommer också att driva upplösningen ytterligare genom att dra fördel av den unika prestandan hos ALMA-interferometern. Parallellt, vi måste förstå mer detaljerat förmågan hos molekylära moln i avlägsna galaxer att bilda stjärnor så effektivt."