As galáxias crescem acumulando gás de seus arredores e convertendo-o em estrelas, mas os detalhes desse processo permaneceram obscuros. Novas observações, feito usando o Keck Cosmic Web Imager (KCWI) no Observatório W. M. Keck no Havaí, agora forneça o mais claro, evidência mais direta ainda de que os filamentos de gás frio espiralam em galáxias jovens, fornecendo o combustível para as estrelas.

"Pela primeira vez, estamos vendo filamentos de gás espiralando diretamente em uma galáxia. É como um pipeline indo direto para dentro, "diz Christopher Martin, professor de física da Caltech e autor principal de um novo artigo publicado na edição de 1º de julho da revista Astronomia da Natureza . "Este gasoduto sustenta a formação de estrelas, explicando como as galáxias podem fazer estrelas em escalas de tempo muito rápidas. "

Por anos, astrônomos debateram exatamente como o gás chega ao centro das galáxias. Ele aquece dramaticamente ao colidir com o gás quente circundante? Ou flui ao longo de finos filamentos densos, permanecendo relativamente frio? "A teoria moderna sugere que a resposta é provavelmente uma mistura de ambos, mas provar a existência dessas correntes frias de gás permaneceu um grande desafio até agora, "diz o co-autor Donal O'Sullivan (MS '15), um Ph.D. aluno do grupo de Martin que construiu parte do KCWI.

KCWI, projetado e construído na Caltech, é uma câmera de imagem espectral de última geração. Chamado de espectrógrafo de unidade de campo integral, permite que os astrônomos obtenham imagens de forma que cada pixel da imagem contenha um espectro de luz disperso. Instalado na Keck no início de 2017, KCWI é o sucessor do Cosmic Web Imager (CWI), um instrumento que opera no Observatório Palomar perto de San Diego desde 2010. KCWI tem oito vezes a resolução espacial e 10 vezes a sensibilidade do CWI.

"O principal motivador para a construção do KCWI foi entender e caracterizar a teia cósmica, mas o instrumento é muito flexível, e os cientistas usaram, entre outras coisas, para estudar a natureza da matéria escura, para investigar buracos negros, e para refinar nossa compreensão da formação de estrelas, "diz o co-autor Mateusz (Matt) Matuszewski (MS '02, Ph.D. '12), um cientista sênior de instrumentos da Caltech.

A questão de como as galáxias e estrelas se formam a partir de uma rede de filamentos finos no espaço - o que é conhecido como a teia cósmica - fascinou Martin desde que ele era um estudante de graduação. Para encontrar respostas, ele liderou as equipes que criaram o CWI e o KCWI. Em 2017, Martin e sua equipe usaram o KCWI para adquirir dados sobre duas galáxias ativas conhecidas como quasares, denominado UM 287 e CSO 38, mas não eram os próprios quasares que eles queriam estudar. Perto de cada um desses dois quasares está uma nebulosa gigante, maior que a Via Láctea e visível graças à forte iluminação dos quasares. Observando a luz emitida pelo hidrogênio nas nebulosas - especificamente uma linha de emissão atômica chamada de hidrogênio Lyman-alpha - eles foram capazes de mapear a velocidade do gás. A partir de observações anteriores em Palomar, a equipe já sabia que havia sinais de rotação nas nebulosas, mas os dados do Keck revelaram muito mais.

"Quando usamos o CWI da Palomar anteriormente, pudemos ver o que parecia ser um disco giratório de gás, mas não conseguimos distinguir nenhum filamento, "diz O'Sullivan." Agora, com o aumento da sensibilidade e resolução com KCWI, temos modelos mais sofisticados e podemos ver que esses objetos estão sendo alimentados por gás fluindo de filamentos anexados, o que é uma forte evidência de que a teia cósmica está conectada e alimentando este disco. "

Martin e seus colegas desenvolveram um modelo matemático para explicar as velocidades que eles estavam vendo no gás e o testaram em UM287 e CSO38, bem como em uma galáxia simulada.

"Levamos mais de um ano para chegar ao modelo matemático para explicar o fluxo radial do gás, "diz Martin." Uma vez que o fizemos, ficamos chocados ao ver como o modelo funciona bem. "

Os resultados fornecem a melhor evidência até o momento para o modelo de fluxo frio da formação de galáxias, que basicamente afirma que o gás frio pode fluir diretamente para as galáxias em formação, onde é convertido em estrelas. Antes que este modelo ganhasse popularidade, pesquisadores propuseram que as galáxias puxem gás e o aqueçam a temperaturas extremamente altas. De lá, o gás foi pensado para resfriar gradualmente, fornecendo um suprimento constante, mas lento de combustível para as estrelas. Em 1996, pesquisa de Charles (Chuck) Steidel da Caltech, o professor de astronomia Lee A. DuBridge e co-autor do novo estudo, questionou este modelo. Ele e seus colegas mostraram que galáxias distantes produzem estrelas em uma taxa muito alta - rápido demais para ser explicado pelo lento assentamento e resfriamento do gás quente, que era um modelo favorito para o abastecimento de galáxias jovens.

"Ao longo dos anos, adquirimos cada vez mais evidências para o modelo de fluxo frio, "diz Martin." Nós apelidamos nossa nova versão do modelo de 'inspiração do fluxo frio, 'visto que vemos o padrão em espiral no gás. "

"Esse tipo de medição é exatamente o tipo de ciência que queremos fazer com o KCWI, "diz John O'Meara, o cientista-chefe do Observatório Keck. "Combinamos o poder do tamanho do telescópio de Keck, instrumentação poderosa, e um site astronômico incrível para ultrapassar os limites do que é possível observar. É muito empolgante ver esse resultado em particular, visto que observar os influxos diretamente tem sido um elo que faltava em nossa capacidade de testar modelos de formação e evolução de galáxias. Mal posso esperar para ver o que vem a seguir. "

O novo estudo, intitulado, "Fluxos de gás multifilamento alimentando galáxias formadoras de estrelas jovens, "foi financiado pela National Science Foundation (NSF), o Observatório W. M. Keck, Caltech, e o Conselho Europeu de Pesquisa.