Výzkumy v AsÚ AV ČR (150): ALMA odhaluje molekulární plyn v odtrženém ohonu medúzovité galaxie

Medúzovité galaxie nejsou žádným speciálním typem zabírajícím určitou pozici na Hubbleově klasifikační ladičce. Jde o galaxie, u nichž je dobře patrné divoké působení horkého mezigalaktického plynu v centru kupy galaxií na galaktický plyn. Galaxie se v relativně hustém mezigalaktickém prostředí pohybuje, to pak působí na galaxii a její vnitřek vnějším dynamickým tlakem. Tímto náporem jsou pak z disku galaxie odtrhávána obří plynná oblaka, která pak za galaxií vytvářejí odtržený ohon sahající do velkých vzdáleností. Ohon na snímcích připomíná chapadla medúzy, odtud mají galaxie tohoto typu svůj název. 

Kromě globálního potlačení tvorby hvězd v postižené galaxii může tento proces také indukovat novou tvorbu hvězd lokálně nejen v disku galaxie, ale překvapivě i v odtrženém ohonu. Mladé hvězdy se pak náhle objevují jednak v halu třeba již starší galaxie, nebo dokonce přímo v mezigalaktickém prostoru. Tyto případy představují jedinečnou příležitost pro studium tvorby hvězd za podmínek odlišných od disků galaxií. V prvé řadě je totiž obtížné vůbec vysvětlit přítomnost chladného molekulárního plynu v odtržených ohonech, bez něhož k tvorbě hvězd nemůže docházet. 

Galaxie ESO 137-001 je jednou z nejbližších medúzovitých galaxií s velmi dlouhým ohonem pozorovaným v různých oblastech spektra, od rentgenové přes optickou až po rádiovou. Galaxie nacházející se na jižní obloze v souhvězdí Pravítka je typickým zástupcem své třídy. Jednostranný plynný ohon společně s deficitem neutrálního vodíku v těle galaxie jsou neklamnými důkazy působení dynamického tlaku prostředí kupy. Galaxie se pohybuje téměř výhradně tečně v rovině oblohy, a proto máme možnost studovat ohon v celé jeho délce.

Pavel Jáchym z ASU byl řešitelem pozorovacího projektu pro interferometr ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), s jehož pomocí se podařilo získat unikátní pozorování galaxie a jejího ohonu v rádiovém oboru, ve spektrálních čarách molekuly CO. Její přítomnost je spojována s chladnými molekulárními oblaky, z nichž mohou vznikat hvězdy. Pozorování na interferometru ALMA byla provedena jednak pomocí soustavy 12 m antén s různými základnami, ale také doplňující soustavou 7 m antén. Celkový výsledný snímek, jehož výpočet je výsledkem počítačem řízené interferometrické rekonstrukce, pak má rozměr 2048×2048 pixelů s rozlišením 0,14“ na pixel (což odpovídá rozměru 350 pc ve vzdálenosti galaxie) a s rychlostním rozlišením 5 km/s na kanál. Díky tomuto pozorování bylo možné studovat nejen intenzitu emise v čárách CO, ale také rychlostní charakter jednotlivých struktur. Jedná se o vůbec první snímek mapující rozložení molekulárního plynu v ohonu medúzovité galaxie.

Jako první porovnali autoři nové pozorování s těmi staršími z radioteleskopu APEX. Zatímco ALMA má lepší rozlišení, APEX naproti tomu pokrývá v interferometrické technice i větší prostorové škály, vůči nimž byla ALMA při pozorování „slepá“. Autoři ukazují, že celková integrovaná intenzita CO emise v ohonu je tři- až čtyři-krát větší v pozorování z APEXu než z ALMY. To lze vysvětlit tak, že značná část CO emise se v ohonu odehrává na prostorových škálách větších než byly možnosti ALMY. Tedy že rádiová emise ohonu je dominována velkorozměrovým difúzním plynem, který není ALMA schopna v daném nastavení zaznamenat. Porovnání navíc ukazuje, že difúznost plynu zřejmě narůstá podél ohonu se vzdáleností. Plyn odtržený od galaxie se tedy postupně rozplývá do prostoru. 

Hlavním cílem studie ale byly mnohem menší a „ostřejší“ struktury v odtrženém ohonu. Již předchozí pozorování v jiných spektrální oborech naznačovala, že ohon galaxie ESO 137-001 je trojitý – prostřední je nejvýraznější, paralelně s ním jsou však pozorovatelné další dva boční ohony na sever a na jih od hlavního. Nová pozorování ukazují, že shluky molekul CO svědčící pro přítomnost chladného molekulového plynu se nacházejí ve všech třech částech ohonu (byť prakticky 80 % veškeré registrované CO emise je přítomno v centrální části ohonu). Další molekulová emise byla pozorována v centru disku galaxie, kde ještě plyn odolává náporu okolního prostředí. Morfologie ohonu ale není konzistentní s klasickou představou odtrhávání postupně se prokusujícího galaxií od okraje ke středu. Naopak se zdá, že centrální část galaxie byla zasažena ve stejný čas jako její okraje. To je zřejmě důsledek struktury mezihvězdného prostředí uvnitř galaxie, kdy řidšími oblastmi proniká hluboko do disku galaxie mezigalaktický plyn. Pokud se však zaměříme na vývojová stádia jednotlivých částí galaktického ohonu, centrální část je zřejmě nejmladší, neboť je stále ještě „krmena“ oblaky z galaxie, severní a jižní větve jsou již v pozdějších vývojových stádiích a hmota v nich už významně nepřibývá. 

Bližší pohled na jednotlivé struktury ukazuje, že zhustky chladného plynu mají hmotnosti odpovídající hmotnostem galaktických molekulárních oblaků, ale jejich rozměry jsou zřejmě větší. Autoři z toho usuzují, že plyn v těchto oblacích není pevně gravitačně vázán a že se tedy oblaky postupně rozplývají do okolí. Zajímavá je také otázka původu molekulárního plynu v ohonu. Molekulární plyn v galaxii totiž díky své vysoké hustotě vzdoruje okolnímu tlaku více než jiné plynné fáze, současně je ale obtížná představa, že chladný plyn jednoduše vzniká v ohonu, který je obklopený velmi horkým mezigalaktickým prostředím. Z pozorování ALMY autoři usuzují, že nacházejí struktury, které nesou jednoznačné známky obou procesů.

Většina pozorovaného molekulárního plynu se pravděpodobně vytvořila v ohonu díky lokální termální nestabilitě a postupným výkonným chlazením jiných plynných fází, avšak podlouhlé struktury blízko galaxie, které jsou skloněny vůči hlavnímu směru ohonu, mohly být spíše odtrženy přímo z galaxie. 

Pavel Jáchym a jeho kolegové dále ukazují, že v molekulárních oblacích v ohonu probíhá nová tvorba hvězd, která má však díky působení dynamického tlaku velmi specifickou podobu. V hojném počtu zde vznikají podlouhlé struktury tvarem podobné kometám. Hlavu těchto útvarů tvoří oblak molekulárního plynu, ve kterém se postupně vytváří populace mladých hvězd. Ty jsou však příliš husté a zůstávají tudíž pozadu za mateřským oblakem, který je stále urychlován dynamickým tlakem. Naopak, ve směru tlaku může vzniknout ocas difúzního plynu. Takové útvary tedy souvisejí s postupující tvorbou hvězd v plynných strukturách ohonu galaxie. 

Celkově je tedy dynamika těchto útvarů velmi komplikovaná a nejnovější pozorování získaná Pavlem Jáchymem observatoří ALMA přinášejí velmi zajímavý vhled do interakce galaxií s mezigalaktickým prostředím galaktických kup a umožní studovat proces tvorby hvězd v neobvyklém prostředí mimo disku galaxie. 

REFERENCE

P. Jáchym a kol., ALMA unveils widespread molecular gas clumps in the ram pressure stripped tail of the Norma jellyfish galaxy, Astrophysical Journal 883 (2019) 2, preprint arXiv:1905.13249

KONTAKT

Mgr. Pavel Jáchym, Ph. D.  
jachym@ig.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.