Falskfärgad bild av regionen Sagittarius B1, som ses av GALACTICNUCLEUS-undersökningen. Datan som denna bild är baserad på gjorde det möjligt för Francisco Nogueras-Lara och hans kollegor att identifiera tre miljoner stjärnor i det galaktiska centrumet och härleda nyckelegenskaper för den högproduktiva stjärnbildningen som pågår i den delen av vår hemgalax. Kredit:F. Nogueras-Lara et al. / MPIA
Med hjälp av detaljerade observationer har astronomer lyckats få en första representativ glimt av de många unga stjärnorna i de centrala delarna av vår hemgalax. Observationerna ger bevis för att stjärnbildningen i det galaktiska centrum har börjat nära centrum och sedan arbetat sig utåt. Detta bekräftar ett sätt för stjärnbildning som tidigare hade hittats i mitten av andra, avlägsna galaxer. Resultaten avslöjar också att de flesta stjärnor i den regionen inte bildades i tätt bundna massiva hopar, utan i lösa föreningar vars medlemsstjärnor för länge sedan har gått skilda vägar. Resultaten har publicerats i Nature Astronomy .
När det kommer till stjärnor är den centrala delen av vår hemgalax, Vintergatan, betydligt mer trångt än andra delar av vår galax. Astronomer har länge hoppats att detta skulle kunna ge dem ett laboratorium för att studera snabb stjärnbildning - ett fenomen som förekommer i många andra galaxer, och i synnerhet under de tidigaste miljarder år av kosmisk historia. Men trängseln gör stjärnor i den centrala regionen notoriskt svåra att observera.
Nu kommer en ny analys baserad på en högupplöst infraröd undersökning, som just har publicerats i Nature Astronomy , ger en första representativ rekonstruktion av stjärnbildningens historia i den galaktiska centrala regionen. Den visar också att de flesta unga stjärnor i det galaktiska centrumet inte bildades i tätt sammansvetsade massiva hopar, utan i lösa stjärnassociationer, som spridits under de senaste miljoner åren.
Produktiva och improduktiva galaxer
Vår Vintergatan är inte en särskilt produktiv galax. Tillsammans uppgår de nya stjärnorna som vår hemgalax bildar på ett år till inte mer än några solmassor. Så kallade "star burst galaxies" är mycket mer effektiva:Under korta episoder som varar några miljoner år producerar de tiotals eller till och med hundratals solmassor värda stjärnor per år! Mer allmänt, för 10 miljarder år sedan, tycks den typen av hög bildningshastighet, med tiotals solmassor producerade varje år, ha varit normen bland galaxer.
Astronomer använder rutinmässigt Vintergatan för att lära sig mer om galaxegenskaper i allmänhet. När allt kommer omkring är Vintergatan den enda galaxen där vi har en vy från ringsidan och kan studera processer och egenskaper på nära håll, i detalj. Med tanke på Vintergatans låga stjärnbildningseffektivitet kanske du tror att högproduktiv stjärnbildning är ett område där detta recept - studera lokalt vad som händer i avlägsna galaxer också - inte fungerar. Men du skulle ha fel:I Vintergatans centrala regioner, motsvarande de centrala 1300 ljusåren runt vår galaxs centrala svarta hål, har stjärnbildningshastigheterna under de senaste 100 miljoner åren varit tio gånger högre än i genomsnitt. Vår galax kärna är lika produktiv som en galax med stjärnsprängningar, eller som de hyperproduktiva galaxerna för 10 miljarder år sedan.
Utmaningarna med att observera de galaktiska centrala regionerna
Men om vi vill lära oss om högproduktiv stjärnbildning från vår galaxs centrala regioner finns det en utmaning:dessa regioner är notoriskt svåra att observera. Till att börja med, sett från jorden, är de gömda bakom rikliga mängder damm. Men det problemet är lätt löst:använd infraröd, millimetervåg eller radioobservationer. Vid dessa våglängder kommer ljuset att passera rakt igenom stoftet, vilket gör att vi kan se det galaktiska centrumet. Det var så grupperna av Andrea Ghez och Reinhard Genzel utförde sina Nobelprisbelönta observationer av stjärnor som kretsar kring vår galaxs centrala svarta hål (nära-infrarött), och hur Event Horizon Collaboration producerade den första bilden av skuggan av vår galaxs centrala svart hål (millimetervågor vid 1,3 mm).
När det första problemet är löst kommer nästa:det galaktiska centrumet är så överfyllt med stjärnor att det är svårt att skilja en stjärna från nästa. Undantaget är vissa mycket ljusa jättestjärnor, som är särskilt lysande, sticker ut från mängden och därför kan separeras från resten relativt lätt. Detta problem har irriterat astronomer som försöker förstå högproduktiv stjärnbildning i det galaktiska centrumet i flera år. Att det har funnits en sådan stjärnbildning under de senaste 1 till 10 miljoner åren är inte ifrågasatt – närvaron av vätgas delad i dess komponenter (joniserad) av ultraviolett ljus från heta unga stjärnor och närvaron av röntgenstrålar som är karakteristiska för vissa typer av unga, mycket massiva stjärnor, vittnar om det.
Men med trängselproblemet, frågan "... så var är de resulterande unga stjärnorna då?" har varit svårt att svara på. Innan den nya analys som beskrivs här hade astronomer bara hittat cirka 10 % av den förväntade totala stjärnmassan i det galaktiska centrumet – i två massiva stjärnhopar och i form av några isolerade unga stjärnor. Så var fanns alla de andra stjärnorna och vad hade de för egenskaper?
En fantastisk folkräkning från en detaljerad undersökning
Det var frågan som författarna till den nyutgivna tidningen ställde sig. Francisco Nogueras-Lara, en oberoende Humboldt-forskare i Lise Meitner-gruppen av Nadine Neumayer vid Max Planck Institute for Astronomy, och deras kollega Rainer Schödel vid Instituto de Astrofísica de Andalucía i Granada, Spanien, var i en unik position att gå om att hitta de saknade unga stjärnorna i det galaktiska centrumet:Schödel är huvudforskare (PI) av GALACTICNUCLEUS:en undersökning som använde sig av HAWK-I infraröda kamera vid Very Large Telescope (VLT) vid European Southern Observatory för att ta nästan 150 bilder (i de infraröda banden J, H och Ks) av Vintergatans centrala region, som täcker en total yta på 64 000 kvadrat ljusår runt det galaktiska centrumet.
Nogueras-Lara tog ledningen i sökandet. För att identifiera enskilda stjärnor i ett trångt område behövs upplösning - förmågan att urskilja små detaljer på himlen. VLT består av teleskop med 8-meters speglar. Med en metod som kallas holografisk avbildning – som kombinerar flera kortexponerade bilder på ett lämpligt sätt för att mildra de suddiga effekterna av jordens atmosfär – lyckades undersökningen kartlägga sin målregion i mycket finare detalj än någonsin tidigare (med en upplösning på 0,2 bågsekunder). ). Där tidigare endast ett fåtal stjärnor hade kartlagts, tillhandahöll GALACTICNUCLEUS individuella data för 3 miljoner.
Kartläggning av 3 miljoner enskilda stjärnor i det galaktiska centrumet
När forskarna tittade på (falskfärgade) bilder från GALACTICNUCLEUS-undersökningen såg de omedelbart att regionen i det galaktiska centrum som kallas Skytten B1 var annorlunda. Den innehåller betydligt fler unga stjärnor, som joniserar den omgivande gasen, än andra regioner – en effekt som inte kom som en överraskning:Tidigare observationer, särskilt av ljus som är karakteristiskt för vätgas som joniseras av heta stjärnor, hade indikerat så mycket. Med de mycket upplösta GALACTICNUCLEUS-observationerna kunde Nogueras-Lara och hans kollegor nu för första gången studera regionens stjärnor i detalj.
Även med sin högupplösta undersökning kunde astronomer bara studera jättestjärnor individuellt (inte så kallade huvudsekvensstjärnor som vår sol), men data från de 3 miljoner stjärnorna som de kunde studera separat innehöll redan en mängd information. I synnerhet kunde astronomerna härleda varje stjärnas ljusstyrka och kompensera för dämpning på grund av damm mellan oss och en viss stjärna. Alla stjärnor i Skytten B1 är på ungefär samma avstånd från jorden, och avståndet från jorden till det galaktiska centrumet är känt; Med den informationen kunde astronomerna rekonstruera varje stjärnas ljusstyrka – den inneboende ljusstyrkan, motsvarande mängden ljus en stjärna sänder ut per tidsenhet.
Rekonstruerar stjärnbildningens historia i det galaktiska centrumet
Särskilt intressant var den statistiska fördelningen av stjärnornas ljusstyrka för dessa stjärnor - hur många stjärnor det fanns i varje "ljusstyrka". För stjärnor som bildas samtidigt ändras ljusfördelningen över tiden på ett regelbundet och förutsägbart sätt. I sin tur, givet en sådan fördelning, är det möjligt att härleda åtminstone en grov historia av stjärnbildning:Hur många stjärnor bildades för mer än cirka 7 miljarder år sedan? Hur många i mellanklassen mellan cirka 2 och cirka 7 miljarder år? Hur många mer nyligen? Ljuskraftsfördelningen ger åtminstone ett statistiskt svar – den mest troliga stjärnbildningshistorien.
När Nogueras-Lara, Neumayer och Schödel analyserade sin ljusfördelning fann de att det faktiskt hade funnits flera faser av stjärnbildning i Skytten B1:en äldre population som bildades för mellan 2 och 7 miljarder år sedan, och en stor population av mycket yngre stjärnor , bara 10 miljoner år gammal eller till och med yngre än så. Nogueras-Lara säger, "Vår studie representerar ett stort steg framåt för att hitta de unga stjärnorna i det galaktiska centrumet. De unga stjärnorna vi hittade har en total massa på mer än 400 000 solmassor. Det är nästan tio gånger högre än den sammanlagda massan av de två massiva stjärnhoparna som tidigare var kända i den centrala regionen."
Byggstjärnor i mittområdet, inifrån och ut
Intressant nog är de stjärnor som forskarna hittade i Skytten B1 spridda och inte en del av en massiv klunga. Det tyder på att de föddes i en eller flera lösare stjärnassociationer, mindre hårt bundna av stjärnornas inbördes gravitation, som sedan snabbt löstes upp när de kretsar runt det galaktiska centrumet på skalor av flera miljoner år – och lämnar efter sig många separata stjärnor. Och även om detta resultat hänvisar till Skytten B1 till att börja med, kan det också förklara mycket mer allmänt varför de unga stjärnorna i det galaktiska centrumet endast kan hittas genom högupplösta studier som det nuvarande arbetet:de föddes i lösa associationer som har sedan dess spridda i separata stjärnor.
Närvaron av den äldre populationen av stjärnor i Skytten B1 är också intressant. I de innersta delarna av det galaktiska centrumet finns stjärnor äldre än 7 miljarder år, men praktiskt taget inga stjärnor i det mellanliggande åldersintervallet 2 till 7 miljarder år. Detta kan tyda på att stjärnbildningen i den centrala regionen började i den innersta regionen och sedan spred sig till de yttre regionerna - vilket ger en övergripande trend för stjärnbildningens kronologi i dessa regioner. För andra galaxer hade denna inifrån och ut-mekanism för att bygga den så kallade kärnskivan – en småskalig skiva gjord av stjärnor som omger det galaktiska centrumet – redan observerats. De nya resultaten visar att samma sak händer i vår hemgalaxs centrala region.
Nästa steg
Lika övertygande som bevisen från de infraröda bilderna redan är, både för rekonstruktionen av stjärnbildningshistorien och för den övergripande trenden för stjärnbildning inifrån och ut, är astronomerna ivriga att sätta sina slutsatser på en ännu fastare grund. För det ändamålet planerar Nogueras-Lara och hans kollegor att följa upp sina observationer med KMOS-instrumentet vid VLT, en högprecisionsspektrograf. I föreliggande studie gjordes avdragen utifrån den totala ljusfördelningen. Spektralobservationer skulle göra det möjligt för astronomerna att identifiera några av de mycket unga stjärnorna direkt, utifrån deras spektra. Det skulle vara en viktig krysskontroll av de resultat som nu publicerats.
Dessutom kommer astronomerna att spåra rörelserna hos de nyupptäckta stjärnorna på himlen ("proper motion"). Nära det galaktiska centrumet rör sig stjärnorna relativt snabbt. Det är därför, även om dessa stjärnor befinner sig på ett avstånd av cirka 26 000 ljusår från jorden, kommer grundliga observationer under loppet av några år att kunna mäta deras positionsförändringar. Stjärnor som bildats i en och samma stjärnassociation sprids över tiden, deras rörelse är sannolikt fortfarande mycket lika — så att spåra egen rörelse skulle möjliggöra avdrag om huruvida stjärnorna i Skytten B1 verkligen föddes i en eller flera lösa associationer.
Avslutningsvis säger Nadine Neumayer:"Båda typerna av mätningar kommer att tjäna till att förhoppningsvis bekräfta, men definitivt förfina, resultaten av det nu publicerade arbetet. Samtidigt kommer vi och våra kollegor att börja utforska vilka nya insikter om stjärnbildning i det galaktiska centrum kan berätta om högproduktiv stjärnbildning i andra galaxer." + Utforska vidare
