Гравитация проигрывает турбулентности в молекулярных облаках галактики Андромеда

Астрономы из Китая, Германии, Тайваня и Южной Кореи под руководством Ш. Цзяо изучили 173 гигантских молекулярных облака в галактике Андромеда (Туманность Андромеды, M31) и выяснили, что большинство из них недостаточно плотные, чтобы сжиматься и рождать звезды. Работа опубликована в виде препринта на arXiv и подготовлена к печати журнале ApJ.

Галактика Андромеда — наш ближайший крупный сосед, и она давно озадачивает астрономов. Несмотря на огромные запасы холодного газа, звезды в ней рождаются вяло, будто кто-то прикрутил регулятор звездообразования на минимум. Чтобы понять причину этой «лени», группа ученых решила заглянуть внутрь облаков, из которых должны появляться новые звезды, и оценить их динамическое состояние. Для этого они использовали параметр, который показывает, насколько сильно внутренние движения газа — турбулентность, вращение, случайные потоки, превышают силу тяготения самого облака. Если движение побеждает гравитацию, облако не может сжаться, и звезды не зажигаются.

В основе работы лежит каталог из 572 молекулярных облаков, найденных по излучению пыли на длине волны 850 микрометров с помощью телескопа JCMT на Гавайях. Из этого списка ученые отобрали те облака, для которых нашлись надежные измерения скорости газа по линии угарного газа CO(1–0), полученные на 30-метровом радиотелескопе IRAM в Испании. После строгих проверок, например, достаточно ли сильный сигнал, не распадается ли он на несколько отдельных компонентов, крупнее ли облако, чем пятно обзора телескопа, осталось 173 объекта.

Для каждого из них вычислили так называемый вириальный параметр: отношение кинетической энергии газа к энергии его гравитационной связи. Если этот параметр меньше двух, облако гравитационно связано, если больше, оно разлетается или вот-вот разлетится. Также для каждого облака оценили эффективность звездообразования, то есть сколько звездной массы рождается в единицу времени на единицу массы газа.

Результат оказался обескураживающим: около 76 процентов облаков в Андромеде имеют вириальный параметр больше двух, то есть являются гравитационно несвязанными. Среднее значение параметра — 4,6, медианное — 3,1. Это резко контрастирует с облаками в галактиках, где звезды рождаются активно: там типичные значения колеблются около единицы или двух. Иными словами, облака в Андромеде в основном представляют собой рыхлые, турбулентные структуры, которые не могут эффективно сжиматься. Более того, ученые заметили, что чем ближе к центру галактики, тем выше вириальный параметр, по-видимому, мощное гравитационное поле центральной выпуклости и сильное дифференциальное вращение диска подбрасывают газ и не дают ему успокоиться. Во внешних областях ситуация немного спокойнее.

Самое интересное , что ученые не нашли прямой и однозначной связи между вириальным параметром и эффективностью звездообразования для отдельных облаков. Если построить график, точки разбросаны очень широко: среди облаков с высоким параметром встречаются и такие, где звезды формируются довольно активно, и такие, где все замерло. Однако при более тонком статистическом анализе выяснилось, что самые высокие значения эффективности звездообразования все же тяготеют к облакам с низким вириальным параметром.

То есть гравитация не диктует напрямую, сколько звезд родится в каждом конкретном облаке, но она как бы ставит потолок: чем сильнее турбулентность, тем ниже максимально возможная скорость рождения звезд. Кроме того, облака с высокой эффективностью и высоким вириальным параметром, вероятно, просто не попадают в выборку, потому что звездный ветер и взрывы сверхновых уже разогнали и рассеяли их газ, и такие объекты перестают быть заметными в излучении CO.

Полученные результаты помогают объяснить, почему Андромеда, обладая большим запасом молекулярного газа, производит звезды вяло. Дело не в недостатке газа как такового, а в том, что значительная его часть находится в состоянии, где внутренние движения превышают гравитационное притяжение.

Газ просто не может собраться в достаточно плотные сгустки, чтобы запустить процесс звездообразования. Это важный шаг к пониманию того, как галактики стареют и переходят из активной фазы в спокойную. В будущем астрономы надеются получить более детальные изображения облаков Андромеды, чтобы увидеть их внутреннюю структуру и точнее определить, какая именно доля газа действительно готова к рождению звезд.

В итоге из 173 изученных гигантских молекулярных облаков в галактике Андромеда примерно три четверти оказались гравитационно несвязанными: внутренняя турбулентность и вращение газа превышают силу тяготения, не давая облакам сжиматься. Прямой связи между динамическим состоянием облака и эффективностью рождения звезд не обнаружено, но прослеживается тенденция: самые высокие темпы звездообразования достижимы лишь в облаках с относительно слабой турбулентностью. Это объясняет, почему Андромеда, богатая газом, рождает звезды значительно медленнее, чем другие галактики со схожими запасами холодного газа.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях