ایجاد یک حلقه دوار از گاز کهکشانی پرنور بدون نیاز به ادغام

برخی از کهکشان ها شکل گیری سریع ستاره ها را صدها یا حتی هزاران بار بزرگتر از کهکشان راه شیری تجربه می کنند. ستاره‌شناسان فکر می‌کنند که ادغام‌ها پشت این کهکشان‌های خاص هستند که در کیهان پیشین فراوان‌تر بودند. اما نتایج جدید نشان می دهد که نیازی به ادغام نیست.

این کهکشان ها کهکشان های مادون قرمز فوق درخشان (HyLIRGs) نامیده می شوند و بیشتر انرژی خود را در مادون قرمز ساطع می کنند. تحقیقات جدید یک HyLIRG را بررسی کرد که ۱۰۰۰۰ برابر روشن‌تر از کهکشان راه شیری در فروسرخ است. آنها به جای یک ادغام آشفته، یک حلقه چرخان سازمان یافته از گاز پیدا کردند که به گفته آنها مسئول تشکیل ستاره فراوان کهکشان است.

نتایج آنها در مقاله ای در Nature Astronomy با عنوان ‘مطالعه دقیق یک دیسک چرخان ابردرخشنده کمیاب در حلقه انیشتین ۱۰ میلیارد سال پیش‘ آمده است. نویسنده اصلی، دایژونگ لیو، استاد پژوهشی در رصدخانه کوه بنفش در نزدیکی نانجینگ، چین است.

HyLIRGها نادرترین نوع کهکشان‌های ستاره‌باران هستند و افراطی‌ترین نوع آن‌ها هستند. آنها فقط در جهان دور و باستانی یافت می شوند. این کهکشان PJ0116-24 نام دارد و دارای جابه‌جایی به قرمز z=2.125 است. این مقدار انتقال به سرخ به این معنی است که نوری که ما می‌بینیم حدود ۱۰.۵ میلیارد سال پیش ساطع شده است و کهکشان دور اکنون حدود ۱۶ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد. در آن فاصله، ستاره شناسان مجبور بودند از عدسی گرانشی برای مشاهده کهکشان استفاده کنند. که نه تنها کهکشان را بزرگ کرد، بلکه حلقه انیشتین را ایجاد کرد.

HyLIRG foreground lens — این تصویر یک تصویر VLT MUSE از PJ0116-24 است که توسط یک لنز گرانشی به حلقه انیشتین تغییر شکل داده است. لنز پیش زمینه در این تصویر حذف نشده است. اعتبار تصویر: لیو و همکاران. ۲۰۲۴.

محققان از یک جفت تلسکوپ برای رصد کهکشان استفاده کردند. تلسکوپ بسیار بزرگ گاز گرم را با دستگاه تصویرگر و طیف‌نگار با وضوح پیشرفته (ERIS) ردیابی کرد و آرایه میلی‌متری/زیر میلی‌متری بزرگ آتاکاما گاز سرد را ردیابی کرد. با ترکیب مشاهدات هر دو، اخترشناسان یک حلقه سازمان یافته از گاز در حال چرخش پیدا کردند. اگر ادغامی رخ می داد و باعث تشکیل ستاره فراوان کهکشان می شد، ساختار سازمان یافته ای مانند این وجود نداشت. در عوض، مورفولوژی کهکشان بسیار آشفته تر خواهد بود.

نویسندگان می نویسند: ‘یک سناریوی پذیرفته شده به طور گسترده این است که HyLIRG ها دنباله درخشندگی بالاتر کهکشان های IR محلی با فعالیت های انفجار ستاره ای شدید هستند که توسط ادغام های بزرگ ایجاد می شوند.’ احتمال دیگر این است که این کهکشان ها بسیار جوان هستند و حداکثر نرخ تشکیل ستاره خود را در ارتباط با جوانی تجربه می کنند. مشکل این است که اخترشناسان به اندازه کافی آنها را رصد نکرده اند تا مطمئن شوند که دقیقاً چه اتفاقی می افتد.

این کهکشان توسط نقشه پلانک در همه آسمان برای تجزیه و تحلیل پروژه ستارگان شدید با لنز گرانشی (PASSAGES) شناسایی شد که حدود ۲۰ HyLIRG را پیدا کرد. PJ0116-24 درخشان ترین موجود در آسمان جنوبی است.

HyLIRG without a merger — این تصویر از این تحقیق نشان می دهد که چگونه عدسی گرانشی حلقه انیشتین را ایجاد کرد. این یک تصویر تحریف شده اما هنوز از نظر علمی آشکار از HyLIRG PJ0116-24 دوردست است. عدسی گرانشی دو تصویر از کهکشان با دو AGN به نام‌های A1 و A2 ایجاد می‌کند. لنز پیش زمینه از تصویر حذف شده است. رنگ‌های آبی تا سبز ستاره‌ها را نشان می‌دهند و قرمز گاز سردی را نشان می‌دهد که ستاره‌های بیشتری از آن تشکیل می‌شوند. (توجه داشته باشید که حلقه انیشتین مصنوع عدسی گرانشی است و حلقه گازی نیست که محققان پیدا کردند. این حلقه در نقشه های سرعت آشکار می شود.) اعتبار تصویر: لیو و همکاران. ۲۰۲۴.

نویسندگان می نویسند، ‘ما دریافتیم که PJ0116-24 به طور چرخشی با زیرساخت گازی غنی تر از سایر HyLIRG های شناخته شده پشتیبانی می شود. نتایج ما نشان می‌دهد که PJ0116-24 یک دیسک ستاره‌باران ذاتاً عظیم و نادر است که احتمالاً در حال تکامل سکولار است. سرعت تشکیل ستاره آن (SFR) برابر با ۱۴۹۰ جرم خورشیدی در سال است.

شبیه‌سازی‌ها پیش‌بینی می‌کنند که حداکثر SFR بزرگتر یا برابر با ۱۰۰۰ جرم خورشیدی در سال است. اگر این مشاهدات درست باشند، آنگاه نشان می‌دهند که یک کهکشان می‌تواند به حداکثر SFR خود برسد، حتی اگر تنها باشد و در ادغام شرکت نکرده باشد.

نویسندگان در مقاله خود توضیح می‌دهند: «برخلاف تقریباً سایر HyLIRG‌های افراطی، که ادغام‌های بزرگ هستند، PJ0116-24 به وضوح همراهان عظیم یا سینماتیک آشفته به عنوان مدرکی برای ادغام‌های بزرگ ندارد».

HyLIRG position velocity maps — این نقشه های سرعت به وضوح یک ساختار حلقه گازی دوار منسجم را در PJ0116-24 نشان می دهد. اگر SFR سریع کهکشان به دلیل ادغام بود، چنین ساختار منظمی وجود نداشت. اعتبار تصویر: لیو و همکاران. ۲۰۲۴.

این کهکشان همچنین فلزی بسیار بالاتر از سایر کهکشان ها در کیهان اولیه نشان می دهد. نویسندگان می نویسند: ‘این تشخیص ها فلزی بودن خورشیدی به ابرخورشیدی را نشان می دهد.’ این بسیار بیشتر از کهکشان های بدون ستاره در همان جابجایی سرخ است.

آمیت ویشواس فوق دکترای مرکز اخترفیزیک و علوم سیاره ای کرنل است. او یکی از نویسندگان این مقاله و مقاله قبلی در سال ۲۰۲۳ است که از JWST برای رصد کهکشانی دیگر در دوره قبلی با شرایط گازی و فلزی مشابه استفاده کرد. PJ0116-24 تقریباً پنج برابر بزرگتر و درخشان تر از آن است. Vishwas می گوید که هر دوی این کهکشان ها به ستاره شناسان کمک می کنند تا تصویر بهتری از چگونگی تکامل کهکشان ها بسازند.

ویشواس در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت: «در هر دو مورد، عدسی‌های گرانشی به ما کمک کرد تا برای مطالعه جزئیات محیط بین‌ستاره‌ای این کهکشان‌ها بزرگ‌نمایی کنیم.» من معتقدم که این مشاهدات جدید به ما کمک می‌کنند تا استدلالی برای نحوه تکامل و ساخت کهکشان‌ها بسازیم – تبدیل گاز به ستاره‌ها در جهش‌های رشد سریع که با دوره‌های طولانی آرامش نسبی از هم جدا شده‌اند.

نویسندگان نتیجه‌گیری می‌کنند: «تأیید قوی PJ0116-24 به‌عنوان HyLIRG که از نظر چرخشی پشتیبانی می‌شود از این پژوهش، شواهد کلیدی است که نشان می‌دهد تکامل سکولار، یعنی بدون ادغام‌های بزرگ اخیر، می‌تواند مسئول حداکثر شکل‌گیری ستاره در کیهان باشد».