Galaktyki nie rosną wiecznie. W pewnym momencie nawet najbardziej płodne powstawanie gwiazd galaktyki zacznij zwalniać, następnie zatrzymaj się, a następnie zafunduj sobie długą, spokojną emeryturę. Astronomowie wiedzieli o tym przejściu od dawna, ale nie mieliśmy czystego, fizycznego wyjaśnienia, dlaczego tak się dzieje i dlaczego dzieje się to w określonej skali masowej.
A nowy papier kierowany przez Preetisha Mishrę z Koreańskiego Instytutu Zaawansowanych Studiów wraz z międzynarodowym zespołem naukowców przedstawia jasną i sprawdzalną propozycję: że spowolnienie wzrostu galaktyk jest spowodowane narodzinami stabilnego obłoku gorącego gazu otaczającego galaktykę, który tworzy się z bardzo określoną masą: w przybliżeniu 10^12,5 mas Słońca. Powyżej tego progu galaktyki przestają być wydajnymi fabrykami gwiazd, niezależnie od tego, ile surowców mają pod ręką.
Pytanie brzmi: co przełącza przełącznik?
Aby dokonać tych obliczeń, zespół wykorzystał symulację Horizon Run 5, jedną z największych symulacji kosmologicznych, jakie kiedykolwiek stworzono. Zajmuje fragment wirtualnego wszechświata o średnicy mniej więcej gigaparseka i modeluje pełną fizykę gazu, grawitacji, powstawania gwiazd, supernowych i supermasywne czarne dziury powstałe wkrótce po Wielkim Wybuchu do dnia dzisiejszego i pozwala badaczom śledzić poszczególne galaktyki w całej ich historii. Mishra i współpracownicy wybrali około 20 000 najmasywniejszych galaktyk centralnych i obserwowali, co działo się z nimi w czasie kosmicznym.
Kluczową wielkością, którą śledzili, był stosunek masy gwiazdy do masy całkowitej. Jest to miara tego, jaka część całkowitego budżetu masy galaktyki (gwiazdygaz, ciemna materia, czarne dziury, wszystko) w rzeczywistości zostaje zamknięty w gwiazdach. Pomyśl o tym jak o raporcie efektywności powstawania gwiazd w galaktyce.
Zespół odkrył, że stosunek ten osiąga gwałtownie szczyt w galaktykach o masach całkowitych od około 10^12,4 do 10^12,7 mas Słońca. Poniżej tego zakresu galaktyki zamieniają gaz w gwiazdy mniej więcej tak szybko, jak gaz napływa. Powyżej tego zakresu zwalniają ponad trzykrotnie. Ten szczyt to masa krytyczna.
Teoria Mishry wyjaśniająca, dlaczego galaktyki przestają rosnąć, zakłada powstawanie halo gorącego gazu, które osiągnęło równowagę grawitacyjną. W miarę rozrastania się galaktyki wpadający do niej gaz ulega nagrzaniu szokowemu. Do określonej masy gaz ten ochładza się wystarczająco szybko, aby nadal padać i zasilać powstawanie nowych gwiazd.
Po przekroczeniu masy krytycznej halo staje się wystarczająco gęste i gorące, aby wytrzymać działanie grawitacji przez miliardy lat. Gaz nie może już ostygnąć wystarczająco szybko, aby opaść i galaktyka zostaje nagle odcięta od dostaw paliwa. Ciągle pożera ciemną materię i wciąga galaktyki satelitarne, ale chłodny gaz, który faktycznie sprawia, że gwiazdy, przestaje docierać.
Artykuł wyklucza także konkurencyjne wyjaśnienie. Naturalnym przypuszczeniem jest to, że galaktyki powyżej masy krytycznej po prostu tracą więcej swojej normalnej materii na skutek wypływów supernowych i aktywne jądra galaktyczne. Zespół sprawdził to bezpośrednio, obliczając, jaka część budżetu barionowego każdej galaktyki faktycznie pozostała związana z systemem. Okazało się, że różnica nie przekraczała 30 procent. To nie jest nic, ale nie może wyjaśnić trzykrotnego spadku efektywności powstawania gwiazd. Decydująca zmiana zachodzi po stronie napływu, a nie odpływu.
Warto zgłosić kilka zastrzeżeń. Horizon Run 5 to symulacja, a nie teleskop, a jej wyniki zależą od fizyki podsiatki używanej do modelowania powstawania gwiazd, supernoweI czarna dziura informacja zwrotna. Autorzy przeprowadzili testy czułości i podstawowy wynik się potwierdził, ale dokładna wartość liczbowa skali masy krytycznej może się zmienić w miarę poprawy tych zaleceń.
Analiza ogranicza się również do galaktyk o masach powyżej 10^10,8 mas Słońca, aby upewnić się, że każda z nich ma wystarczającą liczbę cząstek symulacyjnych, aby można było wiarygodnie je rozdzielić. Mniejsze galaktyki to historia na inną symulację.
To, co sprawia, że ta praca jest satysfakcjonująca, to fakt, że łączy słynny wzór obserwacyjny z pojedynczym, konkretnym mechanizmem fizycznym. Nie tylko galaktyki powyżej określonej masy wygasają, ale także to, że wygasają, ponieważ ich aureole gorącego gazu stają się samonośne. Tego rodzaju stwierdzenie można porównać z przyszłymi badaniami gromad galaktyk i ciepłego, gorącego ośrodka międzygalaktycznego, gaz i pył pomiędzy galaktykami.
O tym, czy udzielili prawidłowej odpowiedzi, dowiemy się, gdy ankiety się rozpoczną.
