Virtuele Melkweg: Gasdichtheid rond een enorm centraal sterrenstelsel in een cluster in het virtuele universum van TNG50-simulatie. Het gas in de melkweg komt overeen met de heldere verticale structuur: een gasvormige schijf. Links en rechts van deze structuur bevinden zich bellen – gebieden die in deze afbeelding op cirkels lijken, met een aanzienlijk lagere gasdichtheid binnenin. Deze gasgeometrie is te danken aan de werking van het superzware zwarte gat dat zich in het centrum van de melkweg verbergt en gas naar buiten duwt, bij voorkeur in richtingen loodrecht op de gasschijf van de melkweg, waardoor gebieden met een lagere dichtheid worden uitgehouwen. Krediet: TNG-samenwerking / Dylan Nelson
Kosmische clustermonsters maken de weg vrij voor de vorming van nieuwe zonnen in satellietstelsels.
Onderzoek dat systematische waarnemingen combineert met kosmologische simulaties heeft uitgewezen dat verrassend zwarte gaten sommige sterrenstelsels kunnen helpen bij het vormen van nieuwe sterren. Op galactische schalen werd de rol van superzware zwarte gaten bij stervorming eerder als destructief gezien – actieve zwarte gaten kunnen sterrenstelsels ontdoen van het gas dat sterrenstelsels nodig hebben om nieuwe sterren te vormen. De nieuwe bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, presenteren situaties waarin actieve zwarte gaten in plaats daarvan “de weg kunnen banen” voor sterrenstelsels die in clusters of clusters van sterrenstelsels cirkelen, waardoor wordt voorkomen dat die sterrenstelsels hun stervorming verstoren terwijl ze over de oceaan vliegen. intergalactisch gas.
Van actieve zwarte gaten wordt aangenomen dat ze een verwoestend effect hebben op hun omgeving. Wanneer ze energie in hun gastmelkwegstelsel spuwen, warmen ze op en spugen het gas van dat melkwegstelsel uit, waardoor het voor het melkwegstelsel moeilijk wordt om nieuwe sterren te produceren. Maar nu hebben onderzoekers ontdekt dat dezelfde activiteit daadwerkelijk kan helpen bij stervorming – althans voor de satellietstelsels die rond het gaststelsel draaien.
Het contra-intuïtieve resultaat kwam van de samenwerking die werd aangewakkerd door een lunchgesprek tussen astronomen die gespecialiseerd zijn in grootschalige computersimulaties en waarnemers. Als zodanig is het een goed voorbeeld van het soort informele interactie dat onder de omstandigheden van een pandemie steeds moeilijker wordt.
Astronomische waarnemingen waarbij het spectrum van een ver sterrenstelsel wordt genomen – de regenboogachtige scheiding van sterrenstelsellicht in verschillende golflengten – maken vrij directe metingen mogelijk van de snelheid waarmee dat sterrenstelsel nieuwe sterren vormt.
Door dergelijke metingen vormen sommige sterrenstelsels sterren met vrij gematigde snelheden. In onze Melkweg worden elk jaar een of twee nieuwe sterren geboren. Anderen ondergaan korte golven van buitensporige stervormingsactiviteit, “starbursts” genaamd, waarbij elk jaar honderden sterren worden geboren. In andere sterrenstelsels lijkt de stervorming te worden onderdrukt of ‘gedoofd’, zeggen astronomen: dergelijke sterrenstelsels zijn vrijwel gestopt met het vormen van nieuwe sterren.
Een speciaal soort sterrenstelsels, waarvan monsters vaak – bijna de helft van de tijd – in zo’n uitgedoofde staat blijken te zijn, zijn zogenaamde satellietstelsels. Deze maken deel uit van een groep of groep sterrenstelsels, hun massa is relatief laag en ze draaien rond een veel groter centraal sterrenstelsel, vergelijkbaar met de manier waarop satellieten om de aarde draaien.
Dergelijke sterrenstelsels vormen doorgaans zeer weinig of geen nieuwe sterren, en sinds de jaren zeventig vermoeden astronomen dat iets heel dicht bij tegenwind de oorzaak zou kunnen zijn: clusters en clusters van sterrenstelsels bevatten niet alleen sterrenstelsels, maar ook sterrenstelsels Heet dun gas. intergalactische ruimte.
Terwijl een satellietstelsel met honderden kilometers per seconde door het cluster draait, zal het dunne gas ervoor zorgen dat het dezelfde soort “tegenwind” voelt die iedereen die op een snelle fiets of motorfiets rijdt, zou voelen. De sterren van een satellietstelsel zijn te samengedrukt om te worden beïnvloed door de constante stroom van binnenkomend gas tussen de sterrenstelsels.
Maar galactisch satellietgas is dat niet: het zal worden ontdaan van binnenkomend heet gas in een proces dat bekend staat als ‘ram pressure stripping’. Aan de andere kant heeft een snel bewegend sterrenstelsel geen kans om genoeg intergalactisch gas aan te trekken om zijn gastank aan te vullen. Het resultaat is dat dergelijke satellietstelsels bijna al hun gas verliezen – en daarmee de grondstoffen die nodig zijn om sterren te vormen. Als gevolg hiervan wordt de stervormingsactiviteit gedoofd.
De betrokken processen vinden plaats over miljoenen of zelfs miljarden jaren, dus we kunnen ze niet direct zien gebeuren. Maar toch, er zijn manieren voor astronomen om meer te weten te komen. Ze kunnen computersimulaties van virtuele universums gebruiken, geprogrammeerd om de relevante natuurwetten te volgen – en de resultaten vergelijken met wat we werkelijk waarnemen. En ze kunnen anekdotische aanwijzingen zoeken in de uitgebreide ‘momentopname’ van kosmische evolutie die door astronomische waarnemingen wordt geleverd.
Annalisa Pillepich, groepsleider bij het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA), is gespecialiseerd in dit soort simulaties. De IllustrisTNG-simulatiegroep, waarvan Bilibish mede-leider was, biedt de meest gedetailleerde virtuele universums tot nu toe – universums waarin onderzoekers de beweging van gas op relatief kleine schaal kunnen volgen.
IllustrisTNG geeft enkele extreme voorbeelden van satellietstelsels die onlangs zijn gestript door ramdruk: zogenaamde “kwallenstelsels”, die hun gasresten achterlaten als kwallen die hun tentakels volgen. In feite is het identificeren van alle kwallen in de simulatie een burgerwetenschappelijk project dat onlangs is gelanceerd op het Zooniverse-platform, waar vrijwilligers kunnen helpen bij het onderzoeken van dit type nieuw geïrrigeerd sterrenstelsel.
Maar hoewel kwallenstelsels relevant zijn, is het huidige onderzoeksproject hier niet begonnen. Tijdens de lunch in november 2019 vertelde Bilibish een andere IllustrisTNG-bevinding aan Ignacio Martin Navarro, een observerende astronoom die bij MPIA’s Marie Curie Fellowship was. Een resultaat over de impact van superzware zwarte gaten die het gastmelkwegstelsel zijn omzeild, in de intergalactische ruimte.
Dergelijke superzware zwarte gaten zijn te vinden in het centrum van alle sterrenstelsels. Materie die in zo’n zwart gat valt, wordt meestal onderdeel van de zogenaamde roterende accretieschijf die het zwarte gat omringt, voordat het in het zwarte gat zelf valt. Bij deze val op de accretieschijf komt een enorme hoeveelheid energie vrij in de vorm van straling, en vaak ook in de vorm van twee jets van snel bewegende deeltjes, die loodrecht op de accretieschijf weg accreteren. Een superzwaar zwart gat dat op deze manier energie uitstraalt, wordt de Active Galactic Nucleus genoemd, kortweg AGN.
Hoewel IllustrisTNG niet gedetailleerd genoeg is om jets van zwarte gaten op te nemen, bevat het wel fysieke termen die simuleren hoe actieve galactische kernen bijdragen aan het omringende gas. Zoals de simulaties hebben aangetoond, zal de injectie van energie gasuitstromingen veroorzaken, die op hun beurt zichzelf langs de weg van de minste weerstand zullen leiden: in het geval van schijfsterrenstelsels vergelijkbaar met onze Melkweg, loodrecht op de stellaire schijf; Voor zogenaamde elliptische sterrenstelsels, loodrecht op een geschikt voorkeursvlak gedefinieerd door de rangschikking van de sterren van de melkweg.
Na verloop van tijd zal het dipoolgas naar buiten stromen, loodrecht op de schijf of het gewenste vlak, tot het punt dat het de intergalactische omgeving beïnvloedt – het dunne gas dat de melkweg omringt. Ze zullen het intergalactische gas wegduwen, waarbij elke uitstroom een gigantische bel creëert. Het was deze berekening die Bilibich en Martin Navarro aan het denken zette: als een satellietstelsel door die bel zou gaan, zou het dan worden beïnvloed door de uitstroom en zou zijn stervormingsactiviteit verder worden onderdrukt?
Martín-Navarro heeft deze vraag binnen zijn eigen domein opgepakt. Hij had uitgebreide ervaring met het werken met gegevens van een van de grootste systematische onderzoeken tot nu toe: de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), die hoogwaardige beelden levert van een groot deel van het noordelijk halfrond. In de openbaar beschikbare gegevens van de 10e gegevens voor dit onderzoek onderzocht hij 30.000 groepen en groepen sterrenstelsels, elk met een centraal sterrenstelsel en gemiddeld 4 satellietstelsels.
In een statistische analyse van die duizenden systemen vond hij een klein maar merkbaar verschil tussen satellietstelsels die zich dicht bij het voorkeursvlak van het centrale sterrenstelsel bevonden en satellieten die zich aanzienlijk boven en beneden bevonden. Maar het verschil was in de tegenovergestelde richting die de onderzoekers verwachtten: satellieten boven en onder het vliegtuig, binnen dunnere bellen, waren gemiddeld niet waarschijnlijker, maar ongeveer 5% Minder De activiteit van stervorming is mogelijk onderdrukt.
Met dit verrassende resultaat keerde Martín-Navarro terug naar Annalisa Pillepich, en de twee voerden dezelfde soort statistische analyse uit in het virtuele universum van de IllustrisTNG-simulatie. In dit soort simulaties is de kosmische evolutie immers niet “handmatig” uitgewerkt door onderzoekers. In plaats daarvan bevat het programma regels die de natuurkundige regels voor dit hypothetische universum zo natuurlijk mogelijk vormen, waaronder ook geschikte beginvoorwaarden die overeenkomen met de toestand van ons universum kort na de oerknal.
Dit is de reden waarom simulaties zoals deze ruimte laten voor het onverwachte – in dit specifieke geval, om de verdeling van uitgedoofde satellietstelsels opnieuw te ontdekken: het hypothetische heelal vertoonde dezelfde afwijking van 5% om satellietstelsels uit te doven! Het was duidelijk dat de onderzoekers ergens naar op weg waren.
Na verloop van tijd kwamen Bilbec, Martin Navarro en hun collega’s met een hypothese voor het fysieke mechanisme achter het koelingsverschil. Stel dat een satellietstelsel door een van de zwakke bubbels reist die het centrale zwarte gat in het omringende galactische medium heeft geblazen. Vanwege de lagere dichtheid ervaart dat satellietstelsel minder tegenwind, minder stress in het RAM en is het dus minder waarschijnlijk dat het zijn gas zal strippen.
Dan komt het terug op de statistieken. Voor satellietstelsels die al meerdere keren rond dezelfde centrale sterrenstelsels hebben gebaand, passerende bellen maar ook gebieden met een hogere dichtheid daartussen, zal het effect niet merkbaar zijn. Dergelijke sterrenstelsels zouden al lang geleden hun gas hebben verloren.
Maar voor satellietstelsels die zich recentelijk bij de groep of cluster hebben gevoegd, zal de locatie een verschil maken: als die satellieten eerst in een bubbel zouden landen, hadden ze minder kans om hun gas te verliezen, en als ze dan toevallig landden buiten een bubbel. Dit effect zou het statistische verschil tussen de geïrrigeerde satellietstelsels kunnen verklaren.
Met de uitstekende overeenkomst tussen de statistische analyses van zowel de SDSS-waarnemingen als de IllustrisTNG-simulatie, en met een redelijke hypothese van het mechanisme, is dit een veelbelovend resultaat. In de context van galactische evolutie is het vooral interessant omdat het indirect de rol bevestigt van actieve galactische kernen, niet alleen bij het verwarmen van intergalactisch gas, maar ook om het “weg te duwen” om gebieden met een lage dichtheid te creëren. En, zoals met alle veelbelovende resultaten, zijn er nu een aantal natuurlijke richtingen die Martín-Navarro, Pillepich en hun collega’s of andere wetenschappers kunnen nemen voor verder onderzoek.
Referentie: “Anisotrope satellietuitdoving gewijzigd door black hole-activiteit” door Ignacio Martin Navarro, Annalisa Belbisch, Dylan Nelson, Vicente Rodriguez-Gomez, Martina Donari, Lars Hernquist en Volker Springel, 9 juni 2021, natuur.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03545-9
More Stories
China is van plan het Tiangong-ruimtestation uit te breiden; Stel deze in op “Space Rule” omdat het ISS wordt uitgeschakeld
De Verenigde Staten detecteren het eerste geval van de H5N1-vogelgriep bij een varken, wat aanleiding geeft tot bezorgdheid voor de mens
NASA zal in 2025 de ruimtewandelingen aan boord van het internationale ruimtestation hervatten na een lek in het ruimtepak