Sterrenstelsels groeien door gas uit hun omgeving op te vangen en om te zetten in sterren, maar de details van dit proces zijn duister gebleven. nieuwe waarnemingen, gemaakt met behulp van de Keck Cosmic Web Imager (KCWI) van het W. M. Keck Observatory in Hawaii, geef nu de duidelijkste, het meest directe bewijs tot nu toe dat filamenten van koel gas in jonge sterrenstelsels spiraalsgewijs het leveren van de brandstof voor sterren.

"Voor de eerste keer, we zien filamenten van gas rechtstreeks in een melkwegstelsel spiraalsgewijs bewegen. Het is als een pijpleiding die recht naar binnen gaat, " zegt Christoffel Martin, een professor in de natuurkunde aan Caltech en hoofdauteur van een nieuw artikel dat verschijnt in het nummer van 1 juli van het tijdschrift Natuurastronomie . "Deze gaspijpleiding ondersteunt stervorming, uitleggen hoe sterrenstelsels sterren kunnen maken op zeer snelle tijdschalen."

Voor jaren, astronomen hebben gedebatteerd over hoe gas precies zijn weg vindt naar het centrum van sterrenstelsels. Warmt het dramatisch op als het botst met het omringende hete gas? Of stroomt het langs dunne dichte filamenten, relatief koud blijven? "De moderne theorie suggereert dat het antwoord waarschijnlijk een combinatie van beide is, maar het bewijzen van het bestaan ​​van deze koude gasstromen was tot nu toe een grote uitdaging gebleven, " zegt co-auteur Donal O'Sullivan (MS '15), een doctoraat student in de groep van Martin die een deel van het KCWI heeft gebouwd.

KCWI, ontworpen en gebouwd bij Caltech, is een ultramoderne spectrale beeldcamera. Een integraal-veldeenheid spectrograaf genoemd, het stelt astronomen in staat om zo beelden te maken dat elke pixel in het beeld een verspreid lichtspectrum bevat. Geïnstalleerd bij Keck begin 2017, KCWI is de opvolger van de Cosmic Web Imager (CWI), een instrument dat sinds 2010 in Palomar Observatory in de buurt van San Diego werkt. KCWI heeft acht keer de ruimtelijke resolutie en tien keer de gevoeligheid van CWI.

"De belangrijkste drijfveer voor het bouwen van KCWI was het begrijpen en karakteriseren van het kosmische web, maar het instrument is zeer flexibel, en wetenschappers hebben het gebruikt, onder andere, om de aard van donkere materie te bestuderen, om zwarte gaten te onderzoeken, en om ons begrip van stervorming te verfijnen, " zegt co-auteur Mateusz (Matt) Matuszewski (MS '02, doctoraat '12), een senior instrumentwetenschapper bij Caltech.

De vraag hoe sterrenstelsels en sterren ontstaan ​​uit een netwerk van piekerige filamenten in de ruimte - wat bekend staat als het kosmische web - heeft Martin gefascineerd sinds hij een afgestudeerde student was. Om antwoorden te vinden, hij leidde de teams die zowel het CWI als het KCWI hebben gebouwd. in 2017, Martin en zijn team gebruikten KCWI om gegevens te verzamelen over twee actieve sterrenstelsels die bekend staan ​​als quasars, genaamd UM 287 en CSO 38, maar het waren niet de quasars zelf die ze wilden bestuderen. Nabij elk van deze twee quasars bevindt zich een gigantische nevel, groter dan de Melkweg en zichtbaar dankzij de sterke verlichting van de quasars. Door te kijken naar het licht dat wordt uitgezonden door waterstof in de nevels - met name een atomaire emissielijn genaamd waterstof Lyman-alpha - waren ze in staat om de snelheid van het gas in kaart te brengen. Uit eerdere waarnemingen bij Palomar, het team wist al dat er tekenen van rotatie in de nevels waren, maar de Keck-gegevens onthulden veel meer.

"Toen we eerder Palomar's CWI gebruikten, we konden zien wat leek op een roterende schijf van gas, maar we konden geen filamenten onderscheiden, "zegt O'Sullivan. "Nu, met de toename in gevoeligheid en resolutie met KCWI, we hebben meer geavanceerde modellen en kunnen zien dat deze objecten worden gevoed door gas dat vanuit aangehechte filamenten naar binnen stroomt, wat een sterk bewijs is dat het kosmische web is verbonden met deze schijf en deze van brandstof voorziet."

Martin en collega's ontwikkelden een wiskundig model om de snelheden die ze in het gas zagen te verklaren en testten het op UM287 en CSO38 en op een gesimuleerd sterrenstelsel.

"Het kostte ons meer dan een jaar om het wiskundige model te bedenken om de radiale stroom van het gas te verklaren, "zegt Martin. "Toen we dat eenmaal deden, we waren geschokt door hoe goed het model werkt."

De bevindingen leveren tot nu toe het beste bewijs voor het koudestroommodel van de vorming van sterrenstelsels, die in feite stelt dat koel gas direct kan stromen in de vorming van sterrenstelsels, waar het wordt omgezet in sterren. Voordat dit model populair werd, onderzoekers hadden voorgesteld dat sterrenstelsels gas aanzuigen en opwarmen tot extreem hoge temperaturen. Vanaf daar, men dacht dat het gas geleidelijk afkoelde, zorgen voor een gestage maar langzame toevoer van brandstof voor sterren. 1996, onderzoek van Caltech's Charles (Chuck) Steidel, de Lee A. DuBridge Professor of Astronomy en een co-auteur van de nieuwe studie, zette dit model in twijfel. Hij en zijn collega's toonden aan dat verre sterrenstelsels in een zeer hoog tempo sterren produceren - te snel om te worden verklaard door de langzame bezinking en afkoeling van heet gas dat een favoriet model was voor het voeden van jonge sterrenstelsels.

"Door de jaren heen, we hebben steeds meer bewijs verzameld voor het cold-flow-model, " zegt Martin. "We hebben onze nieuwe versie van het model de bijnaam 'cold-flow inspiral, ' omdat we het spiraalpatroon in het gas zien."

"Dit soort metingen is precies het soort wetenschap dat we met KCWI willen doen, " zegt John O'Meara, de hoofdwetenschapper van het Keck Observatorium. "We combineren de kracht van de telescoopgrootte van Keck, krachtige instrumentatie, en een verbazingwekkende astronomische site om de grenzen te verleggen van wat mogelijk is om te observeren. Het is heel spannend om dit resultaat in het bijzonder te zien, aangezien het rechtstreeks observeren van instroom een ​​soort ontbrekende schakel is geweest in ons vermogen om modellen van de vorming en evolutie van sterrenstelsels te testen. Ik kan niet wachten om te zien wat er gaat komen."

De nieuwe studie, getiteld, "Instroom van multifilament gas voedt jonge stervormende sterrenstelsels, " werd gefinancierd door de National Science Foundation (NSF), het W.M. Keck-observatorium, Caltech, en de Europese Onderzoeksraad.