Οι γαλαξίες είναι οι περιοχές του σύμπαντος όπου τα αστέρια γεννιούνται, ζουν, και πεθαίνουν. Η μορφή και τα «χρώματα» των γαλαξιών, δηλαδή η ακτινοβολία τους στα διάφορα μήκη κύματος, παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία η οποία σε γενικές γραμμές σχετίζεται με τη δημιουργία και εξέλιξή τους. Επομένως η μελέτη των γαλαξιών μας δίνει πληροφορίες για το σχηματισμό των αστεριών στο Σύμπαν αλλά και τις υπερμαζικές μελανές οπές οι οποίες βρίσκονται στους πυρήνες τους. Αν και τα αστέρια ενός γαλαξία βρίσκονται πολύ μακριά το ένα σε σχέση το άλλο, δηλαδή οι τυπικές τους αποστάσεις είναι εκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από την ακτίνα τους, οι γαλαξίες βρίσκονται σχετικά κοντά ο ένας με τον άλλο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να αλληλεπιδρούν λόγω της βαρυτικής δύναμης μεταξύ τους και να συγκρούονται, συχνά σχηματίζοντας μεγαλύτερους γαλαξίες. Οι λεπτομέρειες των αλληλεπιδράσεων εξαρτώνται από το περιβάλλον του κάθε γαλαξία, πχ. πόσους άλλους γειτονικούς γαλαξίες έχει και πόσο μεγάλοι είναι αυτοί. Μελετώντας τόσο πειραματικά, με παρατηρήσεις, όσο και θεωρητικά, με αριθμητικές προσομοιώσεις, τις αλληλεπιδράσεις αυτές μπορούμε να αποκομίσουμε χρήσιμες πληροφορίες για τη δομή και εξέλιξη του Σύμπαντος.
Μέλη του Ινστιτούτου Αστροφυσικής ασχολούνται ερευνητικά με μία σειρά από θέματα που σχετίζονται με την εξέλιξη των γαλαξιών και πιο συγκεκριμένα με:
A. Αλληλεπιδρώντες γαλαξίες
Η μελέτη του φαινομένου των αλληλεπιδράσεων μεταξύ γαλαξιών είναι πολύ σημαντική διότι κατά τα πρώτα στάδια της δημιουργίας του Σύμπαντος οι αλληλεπιδράσεις αυτές ήταν πολύ πιο συχνές και έχουν παίξει καθοριστικό ρόλο στην εικόνα που παρουσιάζει το Σύμπαν σήμερα. Όταν δύο ή περισσότεροι γαλαξίες αλληλεπιδρούν, η βίαιη αλλαγή στην βαρυτική δύναμη που ασκείται στα συστατικά τους (αέριο και αστέρια) δημιουργεί αστάθειες στο αέριο. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα να αυξηθεί τοπικά η πυκνότητα του αερίου και να προκληθεί έντονος σχηματισμός νέων αστεριών. Παράλληλα, τόσο αέριο όσο και αστέρια, μπορούν να οδηγηθούν από την περιφέρεια προς τις κεντρικές περιοχές του πυρήνα του γαλαξία. Αυτό με τη σειρά του διεγείρει τη δραστηριότητα της υπερμαζικής μελανής οπής που συνήθως υπάρχει στον πυρήνα, δημιουργώντας πίδακες ύλης, αυξάνοντας παράλληλα τη μάζας της. Η μελέτη των αλληλεπιδρώντων γαλαξιών γίνεται κυρίως με παρατηρήσεις σε υπέρυθρα μήκη κύματος, χρησιμοποιώντας τηλεσκόπια όπως το Spitzer της NASA ή το Herschel της ESA. Ο λόγος είναι ότι το φαινόμενο της έντονης αστρογένεσης η οποία προκαλείται από τις αλληλεπιδράσεις, συνοδεύεται από παρουσία μεγάλων ποσοτήτων σκόνης, κυρίως στους πυρήνες των γαλαξιών. Η σκόνη απορροφά την ακτινοβολία στα οπτικά μήκη κύματος με αποτέλεσμα οπτικές παρατηρήσεις να μην μπορούν να μας δώσουν αρκετές πληροφορίες για τις περιοχές με έντονη αστρογένεση και τους πυρήνες των γαλαξιών αυτών, καθώς και τις υπερμαζικές μελανές οπές που βρίσκονται εκεί. Αντίθετα ακτινοβολία στα υπέρυθρα μήκη κύματος μπορεί να διαπεράσει τη σκόνη επιτρέποντας τη χρήση υπέρυθρων παρατηρήσεων για τη μελέτη των περιοχών αυτών. Τις παρατηρήσεις στο υπέρυθρο τις συμπληρώνουμε και με παρατηρήσεις σε άλλα μήκη κύματος χρησιμοποιώντας τόσο επίγεια όσο και διαστημικά τηλεσκόπια, όπως τα Hubble Space Telescope, GALEX, Chandra X-ray Observatory (Torres-Albà et al. 2018, Privon et al. 2020).
B. Αστρικά Σμήνη
Η μελέτη αστρικών σμηνών αλλά και διακριτών αστέρων σε κοντινούς γαλαξίες έχει γίνει εφικτή μόλις τα τελευταία 20 έτη λόγω της απαράμιλλης διακριτικής ικανότητας του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble. Χρησιμοποιώντας τις παρατηρήσεις αυτές μπορούμε να εκτιμήσουμε την ηλικία των αστεριών στις διάφορες περιοχές των γαλαξιών και συνεπώς μπορούμε να αποκομίσουμε σημαντικές πληροφορίες για τις φυσικές διεργασίες που οδήγησαν στο σχηματισμό τους. Επιπλέον μπορούμε να προσδιορίσουμε το ρυθμό με τον οποίο δημιουργήθηκαν τα αστέρια αυτά, καθώς και ποιοι παράγοντες τον επηρέασαν (πχ Larson et al. 2020 και Linden et al. 2021). Οι πληροφορίες αυτές είναι ιδιαίτερα χρήσιμες τόσο στη μελέτη διακριτών πηγών ακτίνων Χ, μια που το 50% σχεδόν των αστέρων βρίσκονται σε ζεύγη, αρκετά από τα οποία εκπέμπουν σε ακτίνες Χ σε μια περίοδο της ζωής τους, αλλά και υπολειμμάτων υπερκαινοφανών οι οποίοι δημιουργούνται στα τελευταία στάδια της ζωής ενός αστεριού.
Γ. Υπέρλαμπροι Υπέρυθροι γαλαξίες
Στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και στις αρχές του 1970, πρωτοποριακές παρατηρήσεις στέλνοντας κυρίως μικρά τηλεσκόπια σε πυραύλους οι οποίοι έβγαιναν για λίγα λεπτά έξω από την ατμόσφαιρα της Γης, δώσαν τις πρώτες ενδείξεις για την ύπαρξη γαλαξιών των οποίων η ακτινοβολία στα υπέρυθρα μήκη κύματος ήταν κατά πολύ μεγαλύτερη από ότι στο οπτικό. Οι μετρήσεις αυτές δεν μπορούσαν να γίνουν από το έδαφος μια που η ατμόσφαιρα της Γης, με εξαίρεση μικρά «παράθυρα» στα 8-12μm και 16-20μm, απορροφά το μεγαλύτερο μέρος της υπέρυθρης ακτινοβολίας που έρχεται από το διάστημα, αλλά και η ίδια η ατμόσφαιρα εκπέμπει πολύ έντονα στο υπέρυθρο. Τα νέα αυτά δεδομένα, αν και περιορισμένα λόγω της δυσκολίας των πειραμάτων, υπέδειξαν ότι ο λόγος για τον οποίο οι γαλαξίες αυτοί ήταν τόσο λαμπροί στο υπέρυθρο ήταν το γεγονός ότι είχαν μεγάλες ποσότητες σκόνης. Η σκόνη η οποία δημιουργείται στα τελευταία στάδια της ζωής ενός άστρου όταν αυτό εκτοξεύει στο μεσοαστρικό χώρο τα εξωτερικά του στρώματα, απορροφά έντονα την ακτινοβολία στο οπτικό και το υπεριώδες και την επανεκπέμπει στο κοντινό και μακρινό υπέρυθρο. Το φαινόμενο αυτό της επιλεκτικής απορρόφησης είναι πιο έντονο όσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός της αστρογένεσης σε έναν γαλαξία. Κατά συνέπεια και αλληλεπιδρώντες γαλαξίες έχουν πολύ συχνά έντονη εκπομπή ακτινοβολίας στο υπέρυθρο.
Η πρώτη συστηματική μελέτη γαλαξιών στο υπέρυθρο έγινε δυνατή το 1984 μετά την εκτόξευση του Infrared Astronomical Satellite (IRAS), ο οποίος έκανε μια πλήρη χαρτογράφηση του ουρανού στα 12, 25, 60 και 100μm. Ο IRAS ανακάλυψε ένα μεγάλο αριθμό από γαλαξίες οι οποίοι ήταν ιδιαίτερα λαμπροί στο υπέρυθρο με φωτεινότητες δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές μεγαλύτερες από τον δικό μας Γαλαξία. Οι νέοι αυτοί γαλαξίες που αποκαλούνται στα αγγλικά «luminous» ή «ultra-luminous IR galaxies, «(U)LIRGs» παρά το ότι δεν είναι πολύ συνηθισμένοι στο κοντινό μας Σύμπαν, συνεισφέρουν ενεργειακά περισσότερο από ότι κάθε άλλο είδος γαλαξία παρόμοιας φωτεινότητας, ακόμη και από τα λεγόμενα quasars.
Συστηματική ανάλυση των δεδομένων του IRAS αλλά και εκτεταμένες έρευνες με άλλες παρατηρήσεις έχει πλέον κάνει σαφή τον σημαντικό ρόλο των (U)LIRGs ως φάση της εξέλιξης ενός γαλαξία. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer με την μεγάλη ευαισθησία των οργάνων του και τη δυνατότητα φασματοσκοπίας στο υπέρυθρο, έδωσε νέα ώθηση στην μελέτη των (U)LIRGs σε κοσμολογικές πλέον αποστάσεις, (z > 0.5). Τη μεγάλη συνεισφορά του Spitzer συνέχισε το διαστημικό τηλεσκόπιο Herschel με παρατηρήσεις στο μακρινό υπέρυθρο. Έτσι έχει πλέον αποδειχθεί ότι το μεγαλύτερο ποσοστό της παραγωγής ενέργειας ανά μονάδα όγκου στο μακρινό σύμπαν (1 < z < 2) προέρχεται από γαλαξίες που βρίσκονται στη φάση (U)LIRG. Οι μακρινοί αυτοί γαλαξίες έχουν σε γενικές γραμμές μορφολογία παρόμοια με τοπικούς αλληλεπιδρώντες γαλαξίες και (U)LIRGs και καθιστούν έτσι την μελέτη των τελευταίων ιδιαίτερα χρήσιμη.
Η ερευνητική ομάδα μας ασχολείται έντονα με την μελέτη αυτού του τύπου γαλαξιών ως συνεργάτης στο πρόγραμμα Great Observatory All-sky LIRG Survey (GOALS). Το πρόγραμμα αυτό συνδυάζει παρατηρήσεις από τα μεγαλύτερα διαστημικά τηλεσκόπια όπως το Spitzer, Herschel, Hubble, Chandra, GALEX (και σύντομα το JWST) και μελετά λεπτομερώς ένα δείγμα από 200 και πλέον (U)LIRGs. Ενδεικτικά μερικοί από τους επιστημονικούς στόχους της διεθνούς αυτής συνεργασίας είναι:
- Η μελέτη της κατανομής της υπέρυθρης ακτινοβολίας στο δίσκο του κάθε γαλαξία ως συνάρτηση των άλλων παραμέτρων του όπως η φωτεινότητα, στάδιο αλληλεπίδρασης, παρουσία υπερμαζικής μελανής οπής στον πυρήνα του κτλ. Σκοπός της μελέτης αυτής είναι να γίνει ποσοτική σύγκριση των ιδιοτήτων τους με μακρινούς γαλαξίες παρόμοιας λαμπρότητας (Díaz-Santos et al. 2017, Armus et al. 2020, McKinney et al. 2021) .
- Μελέτη των περιοχών έντονου σχηματισμού αστέρων με παρατηρήσεις υψηλής διακριτικής ικανότητας, τόσο στο οπτικό με το Hubble όσο και στο υπέρυθρο, ώστε να προσδιοριστεί κατά πόσον η εκπομπή ακτινοβολίας στο υπέρυθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον ακριβή υπολογισμό σχηματισμού νέων αστέρων.
- Μελέτη της φασματικής κατανομής ενέργειας στους γαλαξίες και υπολογισμός φυσικών παραμέτρων τους, πχ da Cunha et al. (2010), Ciesla et al. (2015) και Marshall et al. (2018)
Δ. Αστρογένεση και ενεργοί Γαλαξιακοί πυρήνες στο Τοπικό Σύμπαν
Η ομάδας μας εκπονεί μια συστηματική μελέτη της αστρογένεσης σε ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα γαλαξιών στο γειτονικό μας σύμπαν. Οι στόχοι αυτού του προγράμματος είναι: (α) η σύγκριση διαφορετικών μεθόδων για τη μέτρηση του ρυθμού αστρογένεσης και η μελέτη των παραγόντων που επηρεάζουν αυτές τις μετρήσεις (Mahajan et al., 2019); (β) μελέτη της συσχέτισης μεταξύ πρόσφατης και προγενέστερης αστρογένεσης σε γαλαξιακές όσο και υπό-γαλαξιακές κλίμακες (Maragkoudakis et al. 2017); (γ) μελέτη της συσχέτισης μεταξύ αστρογένεσης και ενεργών γαλαξιακών πυρήνων (Maragkoudakis et al. 2018).
Σε αυτή την προσπάθεια χρησιμοποιούμε πανχρωματικά δεδομένα από πληθώρα διαστημικών και επίγειων παρατηρητηρίων συμπεριλαμβανομένου του Αστεροσκοπείου Σκίνακα. Επιπλέον αναπτύσσουμε νέες μεθόδους για το χαρακτηρισμό της δραστηριότητας σε γαλαξίες (Stampoulis et al. 2019).
Ε. Γαλαξιακή αρχαιολογία
Σύμφωνα με το γενικότερα αποδεκτό πλαίσιο για τη γαλαξιακή εξέλιξη, ελλειπτικοί γαλαξίες είναι το τελικό στάδιο στη εξέλιξη των γαλαξιών, όταν οι γαλαξίες έχουν μετατρέψει το μεγαλύτερο ποσοστό του αερίου τους σε άστρα, συχνά κατόπιν βίαιων αλληλεπιδράσεων. Πρόσφατες ευαίσθητες παρατηρήσεις ελλειπτικών γαλαξιών έδειξαν την γενικευμένη παρουσία χαρακτηριστικών μορφολογικών δομών που υποδηλώνουν αλληλεπιδράσεις που έλαβαν χώρα πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Η ομάδα μας είναι ιδιαίτερα δραστήρια στην ανάπτυξη μεθόδων για την ανίχνευση και χαρακτηρισμό αυτών των δομών καθώς και τη μελέτη της συσχέτισής τους με παλαιότερες αλληλεπιδράσεις ή συγχωνεύσεις των υπο-μελέτη γαλαξιών.(π.χ. Bonfini et al. 2018).
Επιπλέον η ομάδα μας πρωτοπορεί στη μελέτη της χωρικής κατανομής των σφαιρωτών σμηνών ως δείκτες γαλαξιακών αλληλεπιδράσεων στο παρελθόν (Bonfini et al. 2012). Πιο πρόσφατα συμμετέχει ενεργά σε συστηματικές μελέτες για την ανίχνευση ανισοτροπιών στη χωρική κατανομή των σφαιρωτών σμηνών ελλειπτικών γαλαξιών στο Σμήνος της Παρθένου (D’ Abrusco, Fabbiano & Zezas, 2015).