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:
- Bright Galaxies Blowing Bubbles
- CLEAR: Boosted Lyα Transmission of the Intergalactic Medium in UV-bright Galaxies
Źródło: AAS
Na ilustracji: Wizja artystyczna galaktyk podczas ery rejonizacji, która nastąpiła mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu. Źródło: ESO/M. Kornmesser
