Ich hatte noch nie zuvor solche Galaxienbilder gesehen. Niemand hatte! Diese Bilder heben Sternentstehungsregionen in nahegelegenen Galaxien hervor. Es gibt noch eine Reihe von unbeantworteten Fragen, wie die Sternentstehung tatsächlich abläuft. Um diese Fragen zu beantworten, beobachten wir Galaxien, die in riesigen Gaswolken aktiv Sterne bilden. Bis vor kurzem hatten wir nicht die erforderliche Auflösung, um die einzelnen Gaswolken selbst klar abzubilden. Aber Bilder, die von einem Projekt namens . veröffentlicht wurden PHANGS (Physics at High Angular Resolution in Near GalaxieS) in einer Zusammenarbeit zwischen dem European Southern Observatory Very Large Telescope und dem Atacama Large Millimeter/Submillmeter Array (ALMA) lieferten nie zuvor gesehene Details von Sternentstehungswolken in anderen Galaxien.
Dieses Bild kombiniert Beobachtungen der nahegelegenen Galaxien NGC 1300, NGC 1087, NGC 3627 (oben, von links nach rechts), NGC 4254 und NGC 4303 (unten, von links nach rechts), aufgenommen mit dem Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) auf Das Very Large Telescope (VLT) der ESO. Jedes einzelne Bild ist eine Kombination von Beobachtungen, die bei verschiedenen Lichtwellenlängen durchgeführt wurden, um Sternpopulationen und warmes Gas zu kartieren. Bild und Bildbeschreibung PHANGS/ESO. Original Bild
Eine Wolke aus Sternenstaub
Sterne bilden sich aus riesigen Molekülwolken (GMCs), die hauptsächlich aus molekularem Wasserstoff (H2). Gas in diesen Wolken kollabiert unter der Schwerkraft und wird schließlich zu dichten Kugeln. Durch die Zunahme von Dichte und Druck macht die Hitze in diesen Kugeln die Kernfusion möglich, bei der Wasserstoff zu Helium fusioniert wird – ein Stern ist geboren! Aber was löst den anfänglichen Kollaps des Gases aus? Variiert die Sternentstehungsrate zwischen verschiedenen Wolken in derselben Galaxie? Wie vielfältig sind die Wolken selbst? Dies sind alles Kapitel der Sternentstehung, bei denen wir uns nicht ganz sicher sind. Geben Sie PHANGS ein.
PHANGS-Forscher wählte Zielgalaxien unter Verwendung einer Reihe von Voraussetzungen. Die Galaxien mussten nah genug sein, damit sie mit der erforderlichen Auflösung abgebildet werden konnten, um einzelne GMCs zu sehen. Alle Ziele befinden sich daher innerhalb von 17 Millionen Parsec von der Milchstraße (etwa 55 Millionen Lichtjahre). Die Galaxien sind auch nicht zu stark geneigt, um eine klare Sichtlinie in die Scheiben der Zielgalaxien zu ermöglichen. Und vielleicht am wichtigsten ist, dass die Zielgalaxien aktiv Sterne bilden. Als „Hauptreihengalaxien“ bilden diese Galaxien Sterne in ihren Scheiben ohne die externe Gravitationswechselwirkung einer nahen Galaxie oder als Ergebnis von Galaxienverschmelzungen beides kann intensive Perioden des Sternentstehungsrufs auslösen Stern platzt . Vielmehr bilden diese Galaxien Sterne durch Prozesse innerhalb der Galaxie. 90 solcher Galaxien erfüllten die Kriterien und wurden für die Untersuchung ausgewählt.
Diese kontrastierenden Bilder zeigen die erhöhte Auflösung bei der Kohlenmonoxid-Erkennung. Die linke Seite zeigt frühere Durchmusterungen von kalten Gaswolken in der Galaxie NGC 3627 im Vergleich zu der von PHANGS-ALMA erreichten erhöhten Auflösung der „Wolkenskala“, die ein viel klareres Bild der GMC-Positionen in der Galaxie zeigt. c PHANGS-ALMA
Kalt und dunkel
Die Entdeckung von Sternentstehungsregionen in den Zielgalaxien wird durch eine Kombination aus dem Auffinden von kaltem Gas sowie heißen Gasen erreicht, die von neugebildeten Sternen erhitzt werden. Kalte GMCs, die neue Sterne zur Welt bringen, werden als Sternenkindergärten bezeichnet. Sie können einen Durchmesser von zehn bis Hunderten von Lichtjahren haben, wobei die Masse Tausenden von Sonnen entspricht. Der Wasserstoff, aus dem diese Wolken bestehen, ist jedoch schwer zu erkennen. Wenn Wasserstoff Energie ausgesetzt wird, glüht er und ist leicht nachweisbar, während sich kalter Wasserstoff in der Dunkelheit des Weltraums versteckt. GMCs enthalten aber auch Kohlenmonoxid (CO), das im kalten Zustand leichter nachweisbar ist als Wasserstoff. Das Verhältnis von CO zu Wasserstoff in GMCs wird als Konstante verstanden und so kann die Menge des nachgewiesenen CO-Moleküls uns sagen, wie viel Wasserstoff in einer bestimmten Wolke vorhanden ist. Es ist dieses CO-Signal, nach dem ALMA sucht.
Dieses Bild zeigt die Verteilung von kaltem (CO) vs. heißem (H-alpha) Gas, das über mehrere Galaxien verteilt ist (die Farben in diesem Diagramm sind nicht intuitiv). Die kalten CO-Gassignaturen werden von ALMA kartiert, während das glühend heiße H-alpha vom VLT kartiert wird. Die kombinierte Karte zeigt, wo in den kalten GMCs neu entstehende Sterne geboren werden. c PHANGS-ALMA
Sobald Wasserstoff durch die Energien neu entstehender und junger Sterne angeregt wird, setzt er ein Licht frei, das als Hydrogen Alpha bekannt ist. H-Alpha ist das hellste Merkmal im Spektrum von glühendem Wasserstoff und ist die Art und Weise, wie wir einen Großteil des Universums beobachten. Die Kombination der heißen und kalten Karten dieser GMCs in anderen Galaxien zeigt die Umgebung, in der sich Sterne bilden. Ein Instrument namens MUSE auf dem Very Large Telescope kartiert das leuchtende H-Alpha, wo ALMA die kalten CO-Emissionen erkennt. Die feinsten Details, die von ALMA in den Zielgalaxien aufgelöst werden, haben einen Durchmesser von etwa 100 Parsec (etwa 326 Lichtjahre). Die Forscher stellen fest, dass dies eine Auflösung im „Wolkenmaßstab“ ist, da die Ziel-GMCs auch einen Durchmesser von etwa 100 Parsec haben. Bei dieser Auflösung können die Wolken als einzelne Strukturen getrennt von den Strukturen ihrer restlichen Heimatgalaxien unterschieden werden.
Das Very Large Telescope (VLT) der ESO zeigt die nahe gelegene Galaxie NGC 4303, eine Spiralgalaxie mit einem Balken aus Sternen und Gas in ihrem Zentrum, die sich etwa 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau befindet. Das goldene Leuchten entspricht hauptsächlich Wolken aus heißem Wasserstoff, die das Vorhandensein neu geborener Sterne anzeigen, während die bläulichen Regionen im Hintergrund die Verteilung etwas älterer Sterne zeigen.
C. PHANGS / ESO - Original Bild
Eine Karte der nächsten Generation
Während VLT-Bilder in optischem Licht aufnehmen, sieht ALMA entfernte Galaxien in Infrarot- und Radiowellenlängen. Diese Wellenlängen sind hilfreich, um Strukturen zu beobachten, die in optischen Wellenlängen wie kaltem Gas nicht sichtbar wären. Aber es gibt einen Nachteil. Optische Wellenlängen können typischerweise eine feinere Auflösung für die Bildgebung bereitstellen, wodurch ein Kompromiss zwischen Sichtbarkeit und Auflösung entsteht. Die beeindruckende Leistung dieser Initiative besteht darin, dass diese neuen ALMA-Bilder eine Auflösung in Infrarot und Funk erreichten, die nahe an optischen Auflösungen lag. Die Bilder werden weiter verbessert, indem die optischen Auflösungen des VLT sowie Daten des Hubble-Weltraumteleskops in andere Bilder eingefügt werden.
NGC 4254 ALMA-Daten (orange/rot) von kalten GMC-Wolken, die auf Daten des Hubble-Weltraumteleskops aufgebracht wurden,
Bildnachweis: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / PHANGS, S. Dagnello (NRAO) Original Bild
Mosaik der ALMA-Erkennung von Sternenkindern in Kombination mit Daten des Hubble-Weltraumteleskops. Die Bilder zeigen die Vielfalt der GMC-Sternenbildungswolken aus dem nahen Universum. C. ALMA (ESO/NAOJ?NRAO)/PHANGS, S. Dangnell (NRAO)
Die Detailfülle ist überwältigend. Dabei handelt es sich nicht um einzelne Fotos von jeder Galaxie, sondern um Mosaike. Zum Vergleich die Trottier-Observatorium wo ich arbeite, konnte Andromeda, eine viel nähere Galaxie mit 2,4 Millionen Lichtjahren, in einem Sechs-Foto-Mosaik abbilden. Jede Galaxie, die im PHANGS-ALMA-Projekt abgebildet wurde, besteht trotz ihrer Entfernung von mehreren zehn Millionen Lichtjahren aus Mosaiken, die aus bis zu zweihundert Einzelbildern bestehen. Der Prozess der Abbildung aller 90 Galaxien auf dieser Detailebene erstreckte sich über insgesamt 6 Jahre und führte zu einem neuen Atlas der Sternkindergärten – der nächsten Generation von Sternen, die im Universum geboren wurden.
Wie entstehen Sterne? – Video von Fraser Cain
100.000 Sternkindergärten wurden zwischen den 90 Zielgalaxien abgebildet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lage in einer Galaxie die Art der Sternentstehung verändern kann. Wolken in zentralen Regionen der Galaxie sind massereicher, dichter und turbulenter als diejenigen, die in den Weiten der Galaxiescheibe liegen. Die Geschwindigkeit, mit der die Wolken Sterne bilden, und die daraus resultierende endgültige Auflösung der Wolke durch diese neuen Sterne, die das Gas wegblasen, scheinen alle davon abzuhängen, wo sich die Wolke in ihrer Heimatgalaxie befindet.
Atacma Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) mit einem dramatischen Meteor über dem Kopf.
C. DAS/ C. Malin
Eine gemeinsame Ansicht
Die für die Aufnahme dieser Bilder erforderlichen Einrichtungen sind leistungsstark und selbst ziemlich malerisch. Anstatt ein großes Teleskop, SEELE ist eine Auswahl von 66 Gerichten, die über das Chajnantor-Plateau der Atacama-Wüste in Chile verteilt sind. Die vom Array gesammelten Signale werden effektiv kombiniert, um eine riesige Schüssel zu schaffen. Die einzelnen Gerichte können auch je nach Bedarf des jeweiligen Projekts neu arrangiert werden. Die Sehr großes Teleskop , ebenfalls in der Atacama gelegen, besteht aus vier Teleskopen, zwei mit 8,2m-Spiegeln und zwei kleineren 1,8m-Spiegeln. Wie ALMA arbeiten die Teleskope zusammen und schaffen effektiv ein größeres Teleskop.
Teleskop „Yepun“, eines von 4 der hier zu sehenden VLT-Teleskope beim Abfeuern und adaptive Optik Laser in den Himmel, der Verzerrungen der Atmosphäre ausgleicht und ein schärferes Bild erzeugt. C. ESO/ Y. Beletsky
Obwohl dies die detailreichsten Bilder ihrer Art sind, liegt die von PHANGS-ALMA erreichte Auflösung gerade noch an der Schwelle, die erforderlich ist, um einzelne GMCs in den Zielgalaxien abzubilden. Da diese Sternentstehungsregionen nun kartiert wurden, werden zukünftige Teleskope wie das demnächst auf den Markt kommende James Webb Weltraumteleskop und der Extrem großes Teleskop (der nächste nach wird seinUltraIch vermute, groß) können diese GMCs mit ausreichender Auflösung zum Peering erneut aufrufenInnerhalbdie Wolken selbst geben noch mehr Einblicke in die Sternentstehung.
Kosmische Ursprünge
Wir waren einst Teil einer riesigen Molekülwolke, Sie und ich. Alles, was Ihren Körper umfasst, den Computer, auf dem Sie dies lesen, und der Planet, auf dem wir leben, begann alles aus einer riesigen Wolke aus Sternenstaub. Die Zukunft der teleskopischen Weltraumforschung ist so verlockend. James Webb wird nicht nur die Möglichkeit haben, die Sternentstehung in nahegelegenen Galaxien zu studieren, sondern auch einige der ersten Sterne, die jemals im Universum geboren wurden, abzubilden. Der Hauptspiegel des ELT wird einen Durchmesser von 39 Metern haben! Seine umschließende Kuppel hat die Größe eines Fußballfeldes. Wir befinden uns am Abgrund von Ansichten des Universums, die wir noch nie zuvor gesehen haben, und letztendlich neuen Verständnissen unserer eigenen Ursprünge im Kosmos.
Feature-Bild:Bild der Galaxie NGC 3627 im Sternbild LEO. Das goldene Gasglühen entspricht Wolken aus ionisiertem Wasserstoff, während die bläulichen Regionen die Verteilung etwas älterer Sterne offenbaren. Bildnachweis: ESO/PHANGS
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[2104.07739] PHANGS-ALMA: Bogensekunden-CO(2-1)-Bildgebung von nahen sternbildenden Galaxien (arxiv.org) (Open-Access-Original-Forschungspapier)
PHANGS-HST | IPAC (caltech.edu)
Atacama Large Millimeter/Submillimeter-Array | ALMA (almaobservatory.org)
Ein leistungsstarker neuer Laser wird die adaptive Optik verbessern – Universe Today