Teenage Galaxy Eludes Authorities

English

Title:  A recently quenched isolated dwarf galaxy outside of the Local Group environment

Authors: Ava Polzin, Pieter van Dokkum, Shany Danieli, Johnny P. Greco and Aaron J. Romanowsky

First Author’s Institution: Department of Astronomy, Yale University, New Haven, CT 06511, USA

Status:  Accepted by ApJL

Earth Orbit – Hubble

A teen galaxy, going by the name COSMOS-dw1, refuses to testify to authorities (aka scientists) about its nature or, for that matter, about anything much at all.

The young specimen has been taken into custody (aka was discovered) recently and created more questions than it answered. Specifically, it appears to have quenched all star formation processes, feeding once again into unfounded prejudice about young ‘slacker’ galaxies. Why it has done so, it refuses to imply directly. One would naturally assume that such staggering behaviour must be a direct consequence of the environment of such a young, impressionable galaxy. But authorities were stunned when they learned, COSMOS-dw1 exists in isolation, acting as a lone wolf. Possible accomplices have been attempted to identify, however none make a convincing suspect. Further investigation will be necessary, in order to persuade the galaxy to cooperate and learn more about this puzzling behaviour. 

An Addition to the Collection

Alright, this fictional newspaper snippet may simplify things a little. 
But it does provide a nice overview on the newly discovered young dwarf galaxy COSMOS-dw1, a (most likely) quenched galaxy outside of the Local Group, found by a stroke of luck. A galaxy is considered ‘quenched’ if it has shut down all star formation. These small galaxies are fairly underrepresented in contemporary surveys, due to the bias of larger galaxies with high surface brightnesses being much easier to find. 

In the context of galaxies, “small” or “low mass” refers to galaxies with masses below 10⁷ solar masses (the Milky Way has roughly 10¹² solar masses).
The galaxy discussed in today’s paper is named COSMOS-dw1 and was discovered in archival Hubble Space Telescope data in the so-called COSMOS-CANDLES field, one of the most observed regions of the sky. It showed up as a semi-resolved object within the data, which suggests that it cannot be too far away. 

But COSMOS-dw1 is not only interesting because it adds to our short list of well documented low mass galaxies, but also due to a number of further notable features: it displays a rather asymmetric shape with a clump of blue stars (which are hotter, heavier und much more short-lived than yellow or red stars) off-center to the North (see Fig. 1). The rest of the stellar population appears to be much older, most likely post-main sequence and is distributed more evenly. 

Fig. 1: Left: The Color-Magnitude-Diagram of COSMOS-dw1. The blue points refer to the bright blue stars, which are marked on the right RGB image of the galaxy. Excerpt from Fig. 3 in today’s paper.

Missing Lines

In order to learn more about the galaxy, spectroscopy observations were taken by the authors with the Low Resolution Imaging Spectrograph (LRIS) on the Keck I telescope on Hawaii. 
A distance of around 22 Mpc was deducted from the measurements and its radius was determined to be around 450 pc (around 127 times smaller than the Milky Way), with a mass of 2.4 * 10⁶ solar masses. 

Arguably the most important information taken from the spectroscopy measurements is the absence of emission lines, specifically H-alpha emission lines. In terms of galaxy research, the brightness of the H-alpha line indicates the number of massive stars within that galaxy, which can be utilized to infer the rate of star formation. Massive stars ionize the gas around them. The hydrogen recombination produces line emission, such as the well-known Balmer series lines of H-alpha and H-beta. The lack of H alpha emission suggests that the galaxy is in fact quenched, i.e. it does not produce any new stars at the moment. However, strong Balmer absorption is visible, inferring the presence of A type stars at the age of roughly 1 Gyr. Fig. 2 displays the spectrum of COSMOS-dw1 and the location of where H-alpha emission would be expected, as a function of wavelength.

Fig. 2: LRIS spectrum of COSMOS-dw1 in black with the best fit model overplotted in pink. The gray area on the right shows the wavelength range where H-alpha emission would be expected. Excerpt from Fig. 2 in today’s paper.

From the color-magnitude diagram (CMD) (seen in Fig. 1) it is evident that within COSMOS-dw1 a population of bright, very blue stars exists within a rather complex stellar population. Their location actually provides an upper limit for the age of the galaxy. As stars age, they disperse throughout their host galaxy. Since these blue stars are quite close to the center, it is inferred that the galaxy is in fact young.

A Lone Wolf

So, how come this young galaxy has ceased all star formation, at least for the moment?
The authors point out that usually dwarf galaxies are quenched due to environmental effects, such as ram pressure. This is an effect of pressure stripping a smaller galaxy from the gas essential for star formation as it falls towards a larger mass. 

For any kind of environmentally caused quenching, one would expect a bright companion galaxy close to the dwarf galaxy. Intriguingly, such a companion is nowhere to be found for COSMOS-dw1. 
The authors have searched the immediate surrounding of the dwarf galaxy and found only two galaxies which exceed the minimum mass to be considered a “luminous neighbour”. However, it appears these are too far away to actually be responsible for the quenching. Additionally, the complex stellar population within COSMOS-dw1 actually suggests that star formation started and stopped several times in the past. We also know that the quenching happened rather recently due to the population of rather young stars. 

Supernovae to the Rescue!

The authors propose a different mechanism responsible for quenching: internal feedback from supernovae. This basically means that a violent process such as a supernova may inject energy and momentum into the interstellar medium, enough maybe to shut off star formation, at least temporarily. The clump of blue stars found within COSMOS-dw1 may actually be the location of this feedback event.

More surveys may help better understand these dwarf galaxies. The authors note that finding this quenched small galaxy in such a well studied field of the sky suggests that they are fairly common. 

While we are quite calmly and comfortably existing in a side arm of a spiral galaxy, which does not currently experience any violence, it is exceedingly interesting to take a look at other galaxies, especially outside the Local Group to gain a perspective on all the altering processes happening to other galaxies and the star formation within. Space is always dynamic, even if an object such as this galaxy exists in isolation, rapid exchange of energy and great change can always come from within. 

Astrobite edited by Alex Pizzuto
Image Credit: Today’s paper

German

Titel:  A recently quenched isolated dwarf galaxy outside of the Local Group environment

Autor:innen: Ava Polzin, Pieter van Dokkum, Shany Danieli, Johnny P. Greco and Aaron J. Romanowsky

Institut der Erstautorin: Department of Astronomy, Yale University, New Haven, CT 06511, USA

Status: Akzeptiert von ApJL

Erdorbit – Hubble

Eine jugendliche Galaxie, bekannt als COSMOS-dw1, weigert sich gegenüber den Behörden (auch bekannt als die Wissenschaftler) bezüglich ihres Wesens oder, was das betrifft, überhaupt über irgendetwas auszusagen.

Das junge Exemplar wurde kürzlich in Gewahrsam genommen (bzw. entdeckt) und warf sofort mehr Fragen auf, als es beantwortete. Es scheint alle Sternentstehungsprozesse gestoppt zu haben und spielt damit den vorherrschenden Vorurteile über junge ‘Faulenzer’ Galaxien in die Hände. Weshalb es sich so verhält ist nicht ersichtlich. Man würde erwarten, dass dieses eigenartiges Verhalten einer solch jungen und leicht zu beeindruckenden Galaxie eine direkte Konsequenz der Umgebung und des Umfelds ist. Doch die Behörden waren erstaunt, als klar wurde, dass COSMOS-dw1 ein Dasein in der Isolation fristet, als einsamer Wolf. Es wurde versucht, mögliche Komplizen zu identifizieren, doch keiner überzeugt als Verdächtiger. Weitere Aufklärungsarbeit wird nötig sein, um diese Galaxie dazu zu überreden, sich kooperativ zu zeigen und mehr über dieses seltsame Verhalten zu lernen.

Eine Ergänzung der Sammlung

Zugegeben, dieser fiktionale Zeitungsausschnitt macht die Dinge wohl etwas zu einfach.
Und doch liefert er einen guten Überblick über die zufällig neu entdeckte junge Zwerggalaxie COSMOS-dw1, eine (höchstwahrscheinlich) erloschene Galaxie außerhalb der Lokalen Gruppe. Eine Galaxie gilt als ‘erloschen’, sobald jegliche Sternenentstehung still gelegt wurde. Solch kleine Galaxien sind vergleichsweise unterrepräsentiert in zeitgenössischen Studien, da große Galaxien, die hellere Oberflächenhelligkeiten besitzen, deutlich leichter zu finden sind.

Im Zusammenhang mit Galaxien bedeutet ‘klein’ oder ‘massearm’, dass eine Galaxie weniger als 10⁷ Sonnenmassen besitzt (zum Vergleich: die Milchstraße besitzt ungefähr 10¹² Sonnenmassen).
Die Galaxie, um die es im heutigen paper geht, hat den Namen COSMOS-dw1 erhalten und wurde in den Daten-Archiven des Hubble Space Telescopes, im sogenannten COSMOS-CANDLES Feld entdeckt, eine der meist beobachtetsten Regionen des Himmels. Sie erschien als halbwegs aufgelöstes Objekt in den Daten, was nahe legt, dass sie sich nicht sonderlich weit entfernt befindet.

Doch COSMOS-dw1 ist nicht nur deshalb interessant, weil sie sie eine Ergänzung unserer kurzen Liste der bekannten massearmen Galaxien darstellt. Es gibt eine Reihe weiterer Eigenschaften, die die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler erregt: die Galaxie zeigt eine leicht asymmetrische Form mit einer Häufung blauer Sterne (welche heißer, schwerer und deutlich kurzlebiger als gelbe oder rote Sterne sind) etwas außerhalb des Zentrums gegen Norden (siehe Abb. 1). Der Rest der stellaren Population scheint deutlich älter, wahrscheinlich hauptsächlich bereits die Hauptreihe verlassen zu haben und ist gleichmäßiger verteilt.

Fig. 1: Links: Das Farben-Helligkeits Diagram von COSMOS-dw1. Die blauen Punkte korrespondieren zu den hellen blauen Sternen, die rechts im RGB Bild der Galaxie markiert sind. Ausschnit der Abb. 3 aus dem heutigen paper

Fehlende Linien

Um die Galaxie besser zu verstehen wurden von den Autor:innen spektroskopische Beobachtungen mit dem Low Resolution Imaging Spectrgraoh (LRIS) des Keck I Teleskops auf Hawaii veranlasst.
Von den Messungen wurde eine Distanz der Galaxie zur Erde von ungefähr 22 Mpc hergeleitet, sowie ein Radius von ungefähr 450 pc (was ca. 127 mal kleiner ist als die Milchstraße) mit einer Masse von 2,4 * 10⁶ Sonnenmassen.

Die womöglich wichtigste Information, die durch die Spektroskopie gewonnen werden konnte, ist die Abwesenheit bestimmer Emissionlinien, wie der H-alpha Line. Im Kontext von Galaxienforschung, steht die Helligkeit der H-alpha Linie im Zusammenhang mit der Anzahl der massereichen Sterne innerhalb der Galaxie, was wiederum auf die Sternenentstehungsrate schließen lässt. Massereiche Sterne ionisieren das Gas, welches sie umgibt. Die Rekombination des Wasserstoffs führt zu Emissionslinien, der berühmten Balmer Serie mit H-alpha und H-Beta Linien. Die Tatsache, dass es praktisch keine sichtbare H-alpha Emission in COSMOS-dw1 gibt, lässt die Annahme zu, dass die Galaxie tatsächlich erloschen ist. Trotzdem sind starke Balmer Absorptionslinien sichtbar, die nahelegen dass sich A-Sterne in einem Alter von ca 1 Gigajahr in der Galaxie befinden.

Fig. 2: LRIS Spektrum von COSMOS-dw1 in schwarz mit dem optimierten Modell darüber in pink geplottet. Die grauen Bereiche zeigen die Wellenlängen Bereiche an, in denen H-alpha Emission erwartet werden würde. Ausschnitt aus Abb. 2 des heutigen papers.

Aus dem Farben-Helligkeits Diagramm (auch FHD oder CMD) (siehe Abb. 1) lässt sich schließen, dass sich in COSMOS-dw1 eine Gruppe heller, sehr blauer Sterne befindet, neben einer eher komplexen restlichen Population. Der Ort der blauen Sterne verrät uns das maximale Alter der Galaxie. Während Sterne altern verteilen sie sich über ihre gesamte Galaxie. Da diese blauen Sterne sich noch relativ nah am Zentrum befinden, kann man davon ausgehen dass diese Galaxie noch recht jung ist.

Der einsame Wolf

Wie kommt es nun also, dass diese noch so junge Galaxie sämtliche Sternenentstehung beendet hat, zumindest für den Moment?
Die Autor:innen verweisen auf die Tatsache, dass Zwerggalaxien normalerweise durch umweltbedingte Effekte erlöschen, wie zb den Staudruck. Dieser entfernt das Gas aus kleineren Galaxien, welches notwendig ist für die Sternenentstehung, während sie sich auf eine größere Masse zubewegen.

Für jeglichen umweltbedingten Löschungs-Effekt würde man eine helle Galaxie unweit der Zwerggalaxie erwarten. Interessanterweise ist ein solcher Gefährte nirgends im direkten Umfeld von COSMOS-dw1 zu erkennen.
Die Autor:innen untersuchten die direkte Umgebung der Galaxie und fanden lediglich zwei Galaxien, die massereich genug sind um als ‘helle Nachbarn’ zu gelten. Doch es scheint als wären diese zu weit entfernt um für das Erlöschen verantwortlich zu sein. Zusätzlich lässt die komplexe stellare Population in COSMOS-dw1 vermuten, dass die Sternenentstehung in der Vergangenheit mehrmals begonnen und wieder gestoppt hatte. Wir wissen außerdem dass das Erlöschen der Galaxie nicht lange her sein kann, da es eine Gruppe relativ junger Sterne gibt.

Supernovae zur Rettung!

Die Autor:innen schlagen einen anderen Mechanismus vor, der für das Erlöschen verantwortlich sein könnte: interne Rückkopplung von Supernovae. Dies bedeutet, dass ein gewaltiger Prozess, wie zb eine stellare Supernova, Energie und Impuls in das stellare Medium injezieren könnte, evtl. genug um die Sternenentstehung wenigstens temporär zu stoppen. Die Gruppe blauer Sterne innerhalb von COSMOS-dw1 könnte tatsächlich der Ursprungsort dieses Rückkopplung-Events sein.

Weitere Studien könnten helfen, diese Zwerggalaxien besser zu verstehen. Die Autor:innen merken an, dass die Tatsache, dass man diese erloschene kleine Galaxie in einem wohl bekannten und untersuchten Feld im Himmel gefunden hat, wohl bedeutet, dass diese relativ häufig vorkommen.

Während wir recht ruhig und gemütlich in einem Seitenarm einer Spiralgalaxie existieren, die momentan keine gewalttätigen Phänomene erlebt, ist es sehr spannend einen Blick auf andere Galaxien zu werfen, vor allem auf diejenigen außerhalb unserer Lokalen Gruppe, um einen Einblick in all die verändernden Prozesse in ihnen und die Sternentstehung dort zu gewinnen. Das All ist stets dynamisch, selbst für ein Objekt wie COSMOS-dw1, welches in Isolation existiert, können gewaltige Veränderungen und der Austausch von Energie auch immer von Innerhalb kommen.

Astrobite korrekturgelesen von Alex Pizzuto
Image Credit: heutiges paper

About Jana Steuer

I'm a second year PhD student at the LMU Munich, working for the University Observatory (USM), which owns the 2.1m Fraunhofer Telescope Wendelstein. My field of research is exoplanets. I hunt for traces of them in data from big surveys, like the TESS mission and then follow them up, using spectroscopy and photometry. Mainly, I focus on long period planets that may potentially harbor life. When I'm not planet hunting, I act as a DM for several Dungeons and Dragons groups and annoy people with facts from Tolkien's Silmarillion. I enjoy kickboxing and learning about ancient human history.

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