Na tomto obrázku je znázorněn pád modré ultra-difuzní galaxie do systému galaxií a její následné vyvržení jako červené ultra-difuzní galaxie. Kredit: MIT
Výsledky poskytují plán pro nalezení takových systémů v tišších a prázdnějších oblastech vesmíru.
Podle definice jsou trpasličí galaxie malé a slabé, s pouhým zlomkem hvězd, které se v nich nacházejí mléčná dráha a další galaxie. Mezi trpaslíky jsou však obři: Ultra-difuzní galaxie nebo UDG jsou trpasličí systémy, které obsahují relativně málo hvězd, ale jsou rozptýleny po rozsáhlých oblastech. Protože jsou tak difúzní, je obtížné tyto systémy detekovat, i když většina z nich byla nalezena zastrčená v kupách větších, jasnějších galaxií.
Nyní astronomové z MIT, Kalifornská univerzita v Riverside a jinde použili podrobné simulace k detekci „zhášených“ UDG – vzácný typ trpasličí galaxie, která přestala generovat hvězdy. Ve svých simulacích identifikovali několik takových systémů a zjistili, že galaxie nejsou v kupách, ale spíše vyhnané v prázdnotách – tichých, téměř prázdných oblastech vesmíru.
Tato izolace je v rozporu s předpovědí astronomů o tom, jak by se měly tvořit zhášené UDG. Tým tedy použil stejné simulace, aby přetočil vývoj trpasličích systémů a přesně viděl, jak vznikly.
Výzkumníci zjistili, že zhášené UDG se pravděpodobně sloučily v halo temné hmoty s neobvykle vysokou úhlovou hybností. Jako stroj na cukrovou vatu mohlo toto extrémní prostředí rozproudit trpasličí galaxie, které byly anomálně roztaženy.
Tyto UDG se pak vyvinuly v galaktických kupách, jako většina UDG. Ale interakce uvnitř kupy pravděpodobně vymrštily trpaslíky do prázdnoty a poskytly jim široké trajektorie podobné bumerangu známé jako „backsplash“ oběžné dráhy. Během tohoto procesu byl plyn z galaxií odstraněn, takže galaxie byly „uhašeny“ a nebyly schopny produkovat nové hvězdy.
Simulace ukázaly, že takové UDG by měly být častější než to, co bylo pozorováno. Vědci tvrdí, že jejich výsledky, zveřejněné dnes v Přírodní astronomie, poskytnout astronomům plán, jak se vydat hledat tyto trpasličí obry v prázdnotách vesmíru.
"Vždy se snažíme dosáhnout úplného konsenzu o galaxiích, které ve vesmíru máme," říká Mark Vogelsberger, docent fyziky na MIT. „Tato studie přidává novou populaci galaxií, kterou simulace ve skutečnosti předpovídá. A my je nyní musíme hledat ve skutečném vesmíru.“
Vogelsberger vedl studii spolu s Laurou Sales z UC Riverside a José A. Benavidesem z Institutu teoretické a experimentální astronomie v Argentině.
Červená vs. modrá
Tým je hledat pro zhášené UDG začal jednoduchým průzkumem pro UDG satelity – ultra-difuzní systémy, které sídlí mimo kupy galaxií. Astronomové předpovídají, že UDG v kupách by měly být uhašeny, protože by byly obklopeny jinými galaxiemi, které by v podstatě zničily již difúzní plyn UDG a zastavily by produkci hvězd. Zhášené UDG v hvězdokupách by se pak měly skládat převážně ze starých hvězd a měly by se jevit jako červené.
Pokud UDG existují mimo kupy, v prázdnotě, očekává se, že budou i nadále chrlit hvězdy, protože by neexistoval žádný konkurenční plyn z jiných galaxií, který by je uhasil. Předpokládá se proto, že UDG v prázdnotě budou bohaté na nové hvězdy a budou vypadat modře.
Když tým zkoumal předchozí detekce družic UDG, mimo kupy, zjistil, že většina z nich byla modrá, jak se očekávalo, ale několik bylo červených.
"To je to, co upoutalo naši pozornost," říká Sales. „A my jsme si říkali: ‚Co tam dělají? Jak vznikly?“ Neexistovalo žádné dobré vysvětlení."
Galaktická krychle
Aby ji našli, vědci se podívali na TNG50, podrobnou kosmologickou simulaci formování galaxií vyvinutou Vogelsbergerem a dalšími na MIT a jinde. Simulace běží na některých z nejvýkonnějších superpočítačů na světě a je navržena tak, aby vyvinula velký objem vesmíru z podmínek podobných těm krátce po Velký třesk k dnešnímu dni.
Simulace je založena na základních fyzikálních principech a komplexních interakcích mezi hmotou a plynem a její výsledky se ukázaly v mnoha scénářích, aby souhlasily s tím, co astronomové pozorovali ve skutečném vesmíru. TNG50 byl proto použit jako přesný model toho, jak a kde se v průběhu času vyvíjí mnoho typů galaxií.
Vogelsberger, Sales a Benavides ve své nové studii použili TNG50, aby nejprve zjistili, zda mohou zaznamenat zhášené UDG mimo kupy galaxií. Začali s krychlí raného vesmíru měřící asi 150 milionů světelných let na šířku a provedli simulaci vpřed až do současnosti. Pak v simulaci prohledali specificky UDG v dutinách a zjistili, že většina těch, které detekovali, byla modrá, jak se očekávalo. Ale překvapivé číslo – asi 25 procent – bylo červených nebo zhášených.
Zaměřili se na tyto červené satelitní trpaslíky a použili stejnou simulaci, tentokrát jako jakýsi stroj času, aby zjistili, jak, kdy a kde tyto galaxie vznikly. Zjistili, že systémy byly zpočátku součástí shluků, ale byly nějakým způsobem vyhozeny do prázdnoty na eliptičtější, „backsplash“ oběžné dráze.
"Tyto dráhy jsou téměř jako dráhy komet v naší sluneční soustavě," říká Sales. "Někteří odejdou a obíhají zpět kolem a jiní mohou přijít jednou a pak už nikdy." U zhášených UDG, protože jejich oběžné dráhy jsou tak eliptické, neměly čas se vrátit, a to ani po celý věk vesmíru. Pořád jsou venku v terénu."
Simulace také ukázaly, že červená barva zhášených UDG vznikla jejich vymrštěním – násilným procesem, který z galaxií odstranil hvězdotvorný plyn a zanechával jej zhášený a červený. Při provádění simulací dále v čase tým zjistil, že malé systémy, stejně jako všechny galaxie, vznikly v halo temné hmoty, kde se plyn spojuje do galaktických disků. Ale u zhášených UDG se zdálo, že se hala točí rychleji než normálně a generují roztažené, ultradifuzní galaxie.
Nyní, když vědci lépe porozuměli tomu, kde a jak vznikly zhášené UDG, doufají, že astronomové mohou jejich výsledky použít k vyladění dalekohledů, k identifikaci více takových izolovaných červených trpaslíků – o kterých simulace naznačují, že se musí skrývat ve větším počtu, než jaký mají astronomové. daleko zjištěno.
"Je docela překvapivé, že simulace mohou skutečně vytvořit všechny tyto velmi malé objekty," říká Vogelsberger. "Předpokládáme, že by tam venku mělo být více takových galaxií." Díky tomu je naše práce docela vzrušující."
Více o tomto výzkumu viz Astronomové odhalují původ nepolapitelných ultradifuzních galaxií.
Reference: “Tiché ultra-difuzní galaxie v poli pocházející z backsplash orbit” od José A. Benavidese, Laury V. Sales, Mario. G. Abadi, Annalisa Pillepich, Dylan Nelson, Federico Marinacci, Michael Cooper, Ruediger Pakmor, Paul Torrey, Mark Vogelsberger a Lars Hernquist, 6. září 2021, Přírodní astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-021-01458-1
