Nowe badania dostarczają przełomowego wglądu w powstawanie i dynamiczną ewolucję gromad kulistych, pokazując liczne zdarzenia formacyjne i wyraźne ruchy w obrębie tych starożytnych populacji gwiazd, które wpływają na naszą wiedzę o początkach Wszechświata.
Badanie opublikowane dzisiaj (5 listopada) w Astronomia i astrofizyka oznacza ogromny postęp w naszej wiedzy na temat powstawania i ewolucji wielu populacji gwiazd w gromadach kulistych – kulistych, gęsto upakowanych grupach gwiazd, zawierających 1–2 miliony gwiazd każda. To pionierskie badanie, przeprowadzone przez naukowców z Narodowego Instytutu Astrofizyki (INAF), Uniwersytetu w Bolonii i Uniwersytetu w Indianie, jest pierwszym, które analizuje kinematykę 3D wielu populacji gwiazd w 16 gromadach kulistych w naszej Galaktyce. Badanie oferuje szczegółowe, obserwacyjne spojrzenie na to, jak gwiazdy poruszają się w tych gromadach i pozwala na wgląd w ich długoterminową ewolucję od momentu powstania do dnia dzisiejszego.
Wnioski z kompleksowego badania
Emanuele Dalessandro, badacz w INAF w Bolonii, główny autor artykułu i koordynator grupy roboczej, wyjaśnia: „Zrozumienie procesów fizycznych stojących za powstawaniem i wczesną ewolucją gromad kulistych jest jednym z najbardziej fascynujących i dyskutowanych zagadnień astrofizycznych z przeszłości 20–25 lat. Wyniki naszego badania dostarczają pierwszego solidnego dowodu na to, że gromady kuliste powstały w wyniku wielokrotnych procesów formowania się gwiazd i nakładają fundamentalne ograniczenia na dynamiczną ścieżkę, którą podążają gromady w trakcie swojej ewolucji. Uzyskanie tych wyników było możliwe dzięki podejściu wielodiagnostycznemu oraz połączeniu najnowocześniejszych obserwacji i symulacji dynamicznych”.
Różnice kinematyczne i tworzenie klastrów
Badanie podkreśla, że różnice kinematyczne między wieloma populacjami są kluczem do zrozumienia mechanizmów powstawania i ewolucji tych starożytnych struktur.
Z wiekiem, który może sięgać 12-13 miliardów lat (a więc sięga początków kosmosu), gromady kuliste są jednymi z pierwszych układów, które powstały we Wszechświecie. Reprezentują typową populację wszystkich galaktyk. Są to układy zwarte (o masach kilkuset tysięcy mas Słońca i rozmiarach kilku parseków), które można obserwować nawet w odległych galaktykach.
„Ich astrofizyczne znaczenie jest ogromne” – mówi Dalessandro – „ponieważ nie tylko pomagają nam testować kosmologiczne modele powstawania Wszechświata ze względu na ich wiek, ale także zapewniają naturalne laboratoria do badania powstawania, ewolucji i wzbogacania chemicznego galaktyk. ” Mimo że gromady kuliste są badane od ponad stu lat, wyniki ostatnich obserwacji pokazują, że nasza wiedza jest wciąż w dużej mierze niekompletna.
Postępy obserwacyjne i populacje gwiazd
„Wyniki uzyskane w ciągu ostatnich dwóch dekad nieoczekiwanie pokazały, że gromady kuliste składają się z więcej niż jednej populacji gwiazd: pierwotnej o właściwościach chemicznych podobnych do innych gwiazd w Galaktyce i drugiej z anomalną obfitością chemiczną lekkich pierwiastków, takich jak hel, tlen, sód i azot” – mówi Mario Cadelano, badacz na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Bolonii oraz współpracownik INAF, jeden z autorów badania. „Pomimo dużej liczby obserwacji i modeli teoretycznych mających na celu scharakteryzowanie tych populacji, mechanizmy regulujące ich powstawanie nadal nie są poznane”.
Przełomowa analiza kinematyczna 3D
Badanie opiera się na pomiarze prędkości 3D, czyli kombinacji ruchów właściwych i prędkości radialnych, uzyskanych za pomocą teleskopu ESA Gaia oraz danych m.in. ESO teleskopu VLT, głównie w ramach przeglądu MIKiS (Multi Instrument Kinematic Survey), przeglądu spektroskopowego, którego celem jest badanie wewnętrznej kinematyki gromad kulistych. Zastosowanie tych teleskopów, znajdujących się w przestrzeni kosmicznej i naziemnej, dostarczyło bezprecedensowego trójwymiarowego obrazu rozkładu prędkości gwiazd w wybranych gromadach kulistych.
Analiza pokazuje, że gwiazdy o różnej liczebności lekkich pierwiastków charakteryzują się różnymi właściwościami kinematycznymi, takimi jak prędkość obrotowa i rozkład orbit.
„W tej pracy szczegółowo przeanalizowaliśmy ruch tysięcy gwiazd w każdej gromadzie” – dodaje Alessandro Della Croce, doktorant w INAF w Bolonii. „Szybko stało się jasne, że gwiazdy należące do różnych populacji mają odrębne właściwości kinematyczne: gwiazdy o nietypowym składzie chemicznym mają tendencję do rotacji szybciej niż inne w gromadzie i stopniowo rozprzestrzeniają się z obszarów centralnych do zewnętrznych”.
Implikacje dla dynamiki i ewolucji gwiazd
Intensywność tych różnic kinematycznych zależy od dynamicznego wieku gromad kulistych. „Wyniki te są zgodne z długoterminową dynamiczną ewolucją układów gwiazdowych, w których gwiazdy o nietypowej liczebności chemicznej tworzą się bardziej centralnie i obracają się szybciej niż gwiazdy standardowe. To z kolei sugeruje, że gromady kuliste powstały w wyniku wielu epizodów powstawania gwiazd, i dostarcza ważnych informacji przy definiowaniu procesów fizycznych i skal czasowych leżących u podstaw powstawania i ewolucji masywnych gromad gwiazd” – podkreśla Dalessandro.
Ten nowy trójwymiarowy widok ruchu gwiazd w gromadach kulistych zapewnia bezprecedensowe i fascynujące ramy dla powstawania i dynamicznej ewolucji tych intrygujących układów. Pomaga także wyjaśnić niektóre z najbardziej złożonych tajemnic otaczających pochodzenie tych starożytnych budowli.
Odniesienie: „Widok 3D kinematyki wielu populacji w galaktycznych gromadach kulistych” autorstwa E. Dalessandro, M. Cadelano, A. Della Croce, FI Aros, EB White, E. Vesperini, C. Fanelli, FR Ferraro, B. Lanzoni , S. Leanza i L. Origlia, 32 października 2024 r., Astronomia i astrofizyka.
DOI: 10.1051/0004-6361/202451054
