Звездообразование может зависеть от галактических магнитных полей

Фото из открытых источников
Галактическое слияние — это хаотическое событие. Когда две массивные структуры, такие как галактики, сливаются, их мощные гравитационные силы вырывают звезды из их обычных орбит в процессе, называемом насильственной релаксацией. По сути, сливающиеся галактики быстро эволюционируют, и небольшие возмущения могут усиливаться по мере того, как система движется к более стационарному состоянию.
 
Интуиция подсказывает, что этот хаос должен нарушить галактику, включая ее звездообразование, но новые наблюдения за слиянием галактики Arp 220 показывают, что происходит кое-что еще: слияние создает мощное магнитное поле, которое удерживает газ и стимулирует образование большего количества звезд.
 
Arp 220 — одно из ближайших к нам слияний галактик. Оно также чрезвычайно яркое в инфракрасном диапазоне и считается прототипом ULIRG — сверхяркой инфракрасной галактики. Это результат слияния двух спиральных галактик. Галактики богаты газом, что вызывает звездообразование в центральных областях Arp 220. В новом исследовании ученые из Гарвардского и Смитсоновского центра астрофизики и других учреждений исследовали эти центральные области с помощью субмиллиметровой решетки на Маунакеа на Гавайях, чтобы лучше понять магнитные поля.
 
Исследование будет опубликовано в ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества, а ведущим автором является Дэвид Клементс с кафедры физики Имперского колледжа в Великобритании.
 
ULIRG характеризуются интенсивным звездообразованием и экстремальной светимостью в инфракрасном диапазоне. «Arp 220 — это слияние двух богатых газом спиральных галактик, в котором происходит массивная вспышка звездообразования со скоростью ~ 100 солнечных масс в год», — объясняют авторы. Звездообразование сосредоточено в двух отдельных ядрах в центре Arp 220.
 
Поскольку Arp 220 является прототипом ULIRG, он является естественной лабораторией и примером для изучения этих объектов и их природы звездообразования. Исследователи направили Submillimeter Array (SMA) на центральные области Arp 220, чтобы обнаружить поляризованный свет, исходящий от поляризованной пыли там. Поскольку пылинки выстраиваются в соответствии с магнитными полями, SMA может обнаруживать и характеризовать магнитные поля, измеряя полярность.
 
«Несмотря на потенциальное влияние магнитных полей на структуру галактики, суб-мм наблюдения поляризации во внегалактических источниках остаются редкими», — объясняют авторы в своей статье. Первая масштабная попытка измерить эту поляризацию была предпринята в 2002 году, когда исследователи опубликовали первое усредненное по галактике обнаружение суб-мм поляризации. SOFIA (Стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии) предоставила еще одну ограниченную выборку наблюдений поляризации пыли, но SOFIA завершилась в 2022 году.
 
Были предприняты и другие попытки обнаружить магнитные поля в областях звездообразования, но им не хватало разрешения, чтобы увидеть две области по отдельности. Если бы каждая область или ядро имели различную поляризацию, низкое разрешение ослабило бы поляризацию, возможно, даже сделав магнитные поля необнаружимыми. Авторы объясняют, что их усилия преодолели эту проблему. «Мы здесь представляем результаты наблюдений субмиллиметровой поляризации Arp220 с субдуговым разрешением с использованием субмиллиметровой решетки. Они способны разрешить отдельные ядра и, таким образом, избежать этой проблемы разбавления», — пишут авторы.
 
Авторы объясняют, что они обнаружили поляризованную пыль с 6-сигмовой значимостью, связанную с более ярким, западным ядром. Шесть сигм — очень сильное обнаружение, указывающее на значительный уровень поляризации, созданный мощными магнитными полями.
 
Для того, чтобы Arp 220 подвергался звездообразованию, в областях звездообразования должно быть сконцентрировано много холодного газа. Однако звездообразование означает, что формируется много молодых звезд. Молодые звезды генерируют много тепла, которое рассеивает газ, создавая препятствие для дальнейшего звездообразования.
 
«Чтобы остановить это, нужно добавить что-то, что будет удерживать все это вместе — магнитное поле в галактике или крышку и вес скороварки», — сказал Клементс.
 
«Это первый раз, когда мы обнаружили доказательства наличия магнитных полей в ядре слияния», — сказал Клементс, — «но это открытие — лишь отправная точка. Теперь нам нужны более совершенные модели, чтобы увидеть, что происходит при других слияниях галактик».
 
Астрономы давно озадачены галактиками со вспышкой звездообразования, особенно их необычно высокой скоростью звездообразования (SFR). Когда галактики сливаются и становятся галактиками со вспышкой звездообразования, они, по-видимому, преобразуют газ в звезды более эффективно, чем отдельные галактики.
 
Астрофизики выдвинули теорию об этом свойстве галактик со вспышкой звездообразования и о том, что может его вызвать. Предыдущие теоретические модели предполагали, что магнитные поля могут помочь ограничить рассеивание газа, что приводит к активности звездообразования. Однако это первый раз, когда ученые наблюдают эти поля.
 
По словам соавтора исследования Цичжоу Чжана, магнитные поля не просто подавляют рассеивание газа, формирующего звезды. «Другой эффект магнитного поля заключается в том, что оно замедляет вращение газа в дисках сливающихся галактик. Это позволяет силе гравитации взять верх, втягивая вялый газ внутрь, чтобы подпитывать вспышки звездообразования», — сказал Чжан. «SMA был одним из ведущих телескопов для наблюдений с высоким угловым разрешением магнитных полей в молекулярных облаках в Млечном Пути. Замечательно видеть, что это исследование открывает новые горизонты, измеряя магнитные поля в сливающихся галактиках».
 
В отличие от наблюдений за другими близлежащими галактиками, направление магнитных полей, по-видимому, не соответствует направлениям галактических истечений.
 
Есть и другие важные выводы относительно ориентации магнитных полей Arp 220. «Поляризация пылевого излучения ориентирована примерно перпендикулярно молекулярному диску в западном ядре», — пишут авторы. Поляризация пылевого излучения напрямую связана с ориентацией магнитного поля, и эта перпендикулярная ориентация указывает на то, что магнитное поле ориентировано к плоскости галактического диска. Однако магнитное поле может находиться в процессе переупорядочения по мере взаимодействия пары ядер. Это указывает на то, насколько сложна среда слияния и как это влияет на магнитные поля.
 
Обнаружение этих магнитных полей в Arp 220 убедительно указывает на то, что они стоят за неожиданной активностью звездообразования. Но это только одна точка данных. Для подтверждения этих результатов требуется более крупная выборка. Следующий шаг исследовательской группы — нацелить ALMA, старшего брата SMA, на другие галактики, такие как Arp 220, чтобы проверить, есть ли у них такие магнитные поля.
 
«Хотя описанные здесь наблюдения касаются только одной цели, ближайшей и самой яркой ULRG, Arp220, они предполагают, что магнитные поля могут играть значительную роль в процессах, происходящих во внутренних областях крупных слияний», — объясняют авторы в заключении своей статьи. «Таким образом, наблюдения в поисках поляризации пыли во внутренних областях других локальных ULIRG и других DSFG (пыльных звездообразующих галактик) могут принести новое понимание этих объектов и того, как они эволюционируют».