Przejdź do treści

Jasne galaktyki tworzące bańki

Wizja artystyczna galaktyk podczas ery rejonizacji, która nastąpiła mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu.

Czasami rzeczy, których nie widzimy, dają nam jednak wgląd w sytuację. Ta strategia uzyskania wskazówek zarówno z detekcji, jak i z jej braku jest powszechna w astronomii, a braki detekcji badane przez zespół naukowców są wykorzystywane do rozumienia procesu rejonizacji.

Mniej więcej w ciągu pierwszych miliardów lat istnienia Wszechświata miał miejsce okres przejściowy zwany erą rejonizacji. Podczas tej epoki uformowały się pierwsze gwiazdy i galaktyki, które zaczęły emitować wysokoenergetyczne światło, jonizujące ówczesny, w większości neutralny, gaz wodorowy wypełniający Wszechświat. Promieniowanie jonizujące może wybijać elektrony z atomów neutralnego wodoru, a w epoce rejonizacji proces ten miał taki zasięg, że doszło do niemal całkowitej jonizacji gazu we Wszechświecie.

Kryminalna tajemnica
Wczesne galaktyki są głównym źródłem jonizujących fotonów i być może głównym motorem tego procesu jonizacji, dlatego rozumienie właściwości wczesnych galaktyk i tego, jak ewoluowały w ciągu pierwszych miliardów lat istnienia Wszechświata, mają olbrzymie implikacje dla wyjaśnienia procesów zachodzących w epoce rejonizacji. Jednak zrozumienie, ile fotonów zostało wyprodukowanych podczas tej epoki i czy uciekły one ze swoich galaktyk i zjonizowały neutralny gaz wokół nich, jest w dużym stopniu zależne od warunków fizycznych każdej galaktyki, a zatem trudno jest ograniczyć i przewidzieć te czynniki. Wyzwania te prowadzą do jeszcze większych trudności w precyzyjnym określeniu, kiedy i gdzie nastąpiła rejonizacja, a także jakie galaktyki były głównie za nią odpowiedzialne.

Śledzenie siły emisji z przejścia Lyman-α wodoru z wczesnych galaktyk może dać nam pojęcie kto i gdzie: jakie galaktyki produkowały więcej jonizujących fotonów i czy były one skupione razem czy rozproszone? Ta linia pytań odpowiada przestrzennej ewolucji rejonizacji. Śledząc ułamek gazu, który został zjonizowany w czasie, możemy również określić czasową ewolucję rejonizacji.

Artykuł opublikowany na portalu American Astronomical Society (AAS) 27 września 2022 roku stara się dotrzeć do zagadki rejonizacji. Jego autorzy skupili się na galaktykach w erze rejonizacji i starali się rozróżnić jaśniejsze i słabsze galaktyki, szczególnie w zakresie ultrafioletu (UV), w którym fotony mają wystarczającą energię, by zjonizować wodór. Dzięki wyróżnieniu zależności pomiędzy zdolnością galaktyki do emitowania fotonów jonizujących a rejonizacją w pobliżu tej galaktyki, autorzy mogli przetestować ideę, że galaktyki jasne w UV znajdują się w silnie zjonizowanych bańkach gazu, a rejonizacja jest szybsza w bańkach zawierających dużą liczbę galaktyk.

Nierównoważna szerokość równoważna
W artykule starano się odpowiedzieć na jedno główne pytanie: czy istnieje jakaś ewolucja emisji Lyman-α w galaktykach epoki rejonizacji w odniesieniu do jasności UV tych galaktyk? Aby pomóc odpowiedzieć na to pytanie, autorzy zmierzyli siłę emisji Lyman-α za pomocą wielkości zwanej równoważną szerokością w funkcji zarówno przesunięcia ku czerwieni, jak i wewnętrznej jasności UV galaktyki. Ich próbka zawierała kilkaset galaktyk ze szczegółowymi obserwacjami spektroskopowymi, a także nowymi danymi z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Dzięki tym danym zespół poszukiwał jakichkolwiek sygnałów lub linii emisyjnych Lyman-α, ale nie znalazł przekonujących przykładów galaktyk z emisją Lyman-α lub wykrytych kontinuum.

Niewykrycie takiej emisji także ma jednak znaczenie. Biorąc pod uwagę czułość obserwacji, autorzy mogli (a nawet powinni) wykryć galaktyki, jeżeli nie ma ewolucji przesunięcia ku czerwieni o równoważnej szerokości przed i po zakończeniu epoki rejonizacji (przesunięcie ku czerwieni z ~6). To zasadniczo wyklucza istnienie silnej emisji Lyman-α w tej próbce, która zawierała więcej galaktyk słabych w promieniach UV niż próbka wykryta w poprzedniej pracy.

Dzięki porównaniu wykrytych i niewykrytych źródeł oraz symulacjom nieudanych obserwacji, autorzy znaleźli dowody na to, że siła linii emisyjnej Lyman-α ewoluuje inaczej dla jasnych i słabych galaktyk w epoce rejonizacji. Ich analiza jest zgodna z obrazem, w którym rejonizacja jest przestrzennie niejednorodna z dużymi zjonizowanymi bąblami tworzonymi przez jasne galaktyki ze wzmocnioną transmisją Lyman-α. Autorzy wskazują, że rejonizacja jest prawdopodobnie dość skomplikowana, z dużą zmiennością przestrzenną i czasową. Niemniej jednak, chociaż możemy się czegoś nauczyć z tego, czego nie widzimy, obecnie działający Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i inne teleskopy nowej generacji będą czułe na słabsze i bardziej odległe galaktyki, co pozwoli nam uzyskać wyraźniejszy obraz ery rejonizacji.

Opracowanie: Agnieszka Nowak

Więcej informacji:

Źródło: AAS

Na ilustracji: Wizja artystyczna galaktyk podczas ery rejonizacji, która nastąpiła mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu. Źródło: ESO/M. Kornmesser

Reklama