Zašto Svemir nije onoliko svijetao koliko bi trebao biti?
Svake godine se stvori nekolicina novih zvijezda u Mliječnom putu, dok se mnogo više pojavi diljem Svemira. No astronomi su primijetili da bi galaksije trebale izbacivati mnogo više zvijezda, sudeći po količini interzvjezdanih plinova.
Sada su istraživači s MIT i Michigan State University osmislili teoriju po kojoj klasteri galaksija možda reguliraju stvaranje zvijezda. Oni opisuju svoje postavke ovog tjedna u časopisu Nature.
Kada se intraklasterni plin naglo ohladi, tada kondenzira i raspadne se kako bi stvorio nove zvijezde. Znanstvenici su dugo mislili da nešto mora sprječavati plinove da se ohlade dovoljno kako bi stvorili više zvijezda – no točno što je ostala nepoznanica.
Za neke klastere galaksija, kažu istraživači, intraklasterni plin je možda jednostavno prevruć – u skali od stotina milijuna stupnjeva Celzija. Čak i ako se u nekom dijelu i dogodi zahlađenje, intenzitet topline u okolini će spriječiti daljnje zahlađenje tog područja – efekt poznat kao kondukcija.
„To je kao da stavite ledenu kocku u lonac s proključalom vodom – prosječna temperatura je još uvijek vrlo visoka“, kaže Michael McDonald, djelatnik pri MIT-ovom Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. „Pri super-visokim temperaturama, kondukcija izbalansira raspored temperature tako da se ne mogu stvoriti hladni oblaci koji bi mogli proizvesti zvijezde.“
Za takozvane klastere galaksija „hladne srži“, plin u blizini centra može biti dovoljno hladan da oformi zvijezde. No, dio tog hladnog plina može nestati u crnoj rupi, koja izbaci zagrijanu materiju koja stopli okolinu, time onemogućujući stvaranje zvijezda – efekt kojeg tim naziva „povratna sprega izazvana taloženjem“.
„Neke zvijezde će se stvoriti, no prije nego što se situacija zahukta, crna rupa će ponovo sve zatopliti – to je kao klasterski termostat“, kaže McDonald. „Kombinacija kondukcije i povratne sprege izazvane taloženjem daje jasnu i jednostavnu sliku o tome kako se kontrolira stvaranje zvijezda u klasterima galaksija.“
Prelaženje galaktičkog praga
Diljem Svemira postoje dvije glavne vrste klastera galaksija: klasteri hladne srži – oni koji se ubrzano hlade i stvaraju zvijezde – i klasteri tople srži – oni koji nemaju dovoljno vremena da se ohlade.
Coma klaster, klaster tople srži, je pun plina temperature od 100 milijuna stupnjeva Celzija. Kako bi stvorio ijednu zvijezdu, ovaj plin bi trebao biti ohlađen sljedećih nekoliko milijardi godina. S druge strane, njemu bliski klaster Perzej je klaster hladne srži čiji je intraklasterni plin na relativno ugodnih samo nekoliko milijuna stupnjeva Celzija. Ponekad nove zvijezde izađu kao rezultat procesa hlađenja ovog plina u klasteru Perzej, iako ne onoliko koliko znanstvenici predviđaju.
„Količina materijala za stvaranje zvijezda premašuje količinu zvijezda za 10 puta, pa bi ovi klasteri trebali biti prepuni zvijezda“, kaže McDonald. „Zaista treba postojati neki mehanizam koji sprječava hlađenje plinova, inače bi Svemir imao 10 puta više zvijezda.“
McDonald i njegovi kolege su osmislili teorijski okvir koji se oslanja na dva mehanizma koji onemogućuju ohlađivanje.
Tim je izračunao ponašanje intraklasterskog plina uzimajući u obzir obim klastera galaksija, njegovu masu, gustoću i temperaturu. Istraživači su otkrili da postoji ključan prag temperature ispod kojeg se hlađenje plina znatno povećava, što uzrokuje da se plin hladi dovoljno brzo kako bi stvorio zvijezde.
Po teoriji ovog tima, postoje dva različita mehanizma koji reguliraju stvaranje zvijezda, ovisno o tome da li se klaster galaksija nalazi iznad ili ispod praga temperature. Za klastere koji se nalaze znatno iznad tog praga, kondukcija sprječava stvaranje zvijezda: Okolni plinovi prevladaju nad bilo kojim džepovima hladnog plina koji se mogu stvoriti, time održavajući visoku temperaturu diljem klastera.
„Što se tiče ovih toplijih klastera, oni su zaglavili u tom toplijem stanju i nikada se neće ohladiti i stvoriti zvijezde.“, kaže McDonald. „Jednom kada se uđe u ovaj režim vrlo visokih temperatura, hlađenje je onemogućeno, pa su stoga ti klasteri zauvijek zaglavljeni u tom stanju.“
Za plinove koji su po temperaturi bliže nižem pragu nogo je lakše dovoljno se ohladiti da se stvore nove zvijezde. Međutim, u ovim klasterima se uključi povratna sprega izazvana taloženjem koja regulira stvaranje zvijezda: Dok se ohlađeni plin ubrzano kondenzira u oblake koji mogu oformiti zvijezde, ti oblaci mogu također nestati u centralnoj crnoj rupi – i u tom slučaju crna rupa može izbaciti mlaz vrućeg materijala nazad u klaster, time zagrijavajući okolne plinove i onemogućujući stvaranje novih zvijezda.
„U klasteru Perzej se mogu vidjeti ti vrući mlazovi sa svim tim mjehurićima i valovima“, kaže McDonald. „Sada imamo dobar nagovještaj o tome što je moglo uzrokovati te mlazove, tj. ohlađeni plin koji upada u crnu rupu.“
Na pravom putu
McDonald i njegovi kolege su usporedili svoj teorijski okvir s promatranjima udaljenih klastera galaksija i pronašli da njihova teorija odgovara primijećenim razlikama među klasterima. Tim je prikupio podatke iz rendgenske zvjezdarnice Chandra i teleskopa Južni pol – zvjezdarnice na Antarktici koja traga za udaljenim masivnim klasterima galaksija.
Istraživači su usporedili svoj teorijski okvir s vremenom hlađenja plinova iz svakog poznatog klastera galaksija, i pronašli da se klasteri dijele u dvije vrste – klasteri koji se vrlo sporo hlade i klasteri koji se hlade brzo, bliže točci koju je tim zadao kao kritični prag.
Koristeći teorijski okvir, McDonald kaže da bi istraživači mogli moći predvidjeti evoluciju klastera galaksija i zvijezda koje proizvode.
„Osmislili smo put kojeg klasteri slijede“, kaže McDonald. „Zgodna i jednostavna stvar u vezi ovog okvira je da su klasteri zaglavljeni na duže vrijeme u jednom od ova dva modaliteta , sve dok ih nešto vrlo katastrofično ne izbaci iz tog stanja, kao što je to sudar dvaju klastera.“
Istraživači se nadaju dobiti više iz te teorije, pa planiraju provjeriti da li se mehanizmi koji reguliraju stvaranje zvijezda također primjenjuju i na pojedine galaksije. Do sada prikupljeni dokazi, kaže on, podržavaju tu hipotezu.
„Ako uspijemo iskoristiti sve te podatke da shvatimo zašto se zvijezde stvaraju oko nas i zašto ne, tada smo napravili velik korak naprijed“, kaže McDonald.
Izvor: Science Daily