Живая Вселенная: [Webb][EGSY8p7] Webb установил, что слияния галактик являются решением загадки ранней Вселенной

esawebb.org, Science Release weic2402, 18 января 2024 года

Одной из ключевых задач телескопа Джеймса Уэбба, созданного НАСА/ЕКА/ККА, является изучение ранней Вселенной. Теперь, благодаря непревзойденному разрешению и чувствительности инструмента NIRCam Уэбба, впервые удалось увидеть, что находится в локальной среде галактик в самой ранней Вселенной. Это позволило решить одну из самых загадочных тайн астрономии — почему исследователи обнаруживают свет от атомов водорода, который должен был быть полностью заблокирован первозданной газовой средой, образовавшейся после Большого взрыва. Новые наблюдения Уэбба показали наличие маленьких, тусклых объектов вокруг тех самых галактик, которые демонстрируют 'непонятное' излучение водорода. В сочетании с передовыми симуляциями галактик в ранней Вселенной, наблюдения показали, что источником этого излучения водорода является хаотичное слияние соседних галактик.

Свет распространяется с конечной скоростью (300 000 километров в секунду), и чем дальше находится галактика, тем дольше свет от нее доходит до нашей Солнечной системы. Наблюдения за самыми далекими галактиками позволяют не только исследовать дальние уголки Вселенной, но и изучать Вселенную такой, какой она была в прошлом. Для изучения самой ранней Вселенной астрономам требуются исключительно мощные телескопы, способные наблюдать за очень далекими — и, следовательно, очень тусклыми — галактиками. Одной из ключевых возможностей Уэбба является его способность наблюдать за этими самыми далекими галактиками и, следовательно, изучать раннюю историю Вселенной. Международная команда воспользовалась удивительными возможностями Уэбба для решения давней загадки астрономии.

Самые ранние галактики были местами активного и энергичного формирования звезд и, как таковые, были богаты источниками света, испускаемого атомами водорода (излучение Лаймана-альфа [1]). Однако, в эпоху реионизации [2] эти области активного формирования звезд окружало огромное количество нейтрального водородного газа (т.н. "звездные ясли"). Кроме того, пространство между галактиками было заполнено нейтральным газом больше, чем теперь. Газ может очень эффективно поглощать и рассеивать такое излучение водорода [3], поэтому астрономы давно предсказывали, что обильное излучение Лаймана-альфа, испущенное в самой ранней Вселенной, сегодня не должно быть видно. Но эта теория не всегда выдерживала критику, так как астрономы и ранее наблюдали примеры очень раннего излучения водорода, что представляло собой загадку: как же так получается, что мы видим это излучение водорода, которое, по идее, должно было давно быть поглощено или рассеяно? Исследователь из Кембриджского университета и главный исследователь нового исследования Каллум Уиттен поясняет:

"Одной из самых загадочных проблем, которую представляли предыдущие наблюдения, было обнаружение света от атомов водорода в самой ранней Вселенной, который должен был быть полностью заблокирован первозданной нейтральной газовой средой, образовавшейся после Большого Взрыва. Ранее было предложено множество гипотез для объяснения этого 'непонятного' излучения."

Прорыв произошел благодаря исключительному сочетанию углового разрешения и чувствительности Уэбба. Наблюдения с помощью инструмента NIRCam Уэбба позволили разрешить меньшие, более тусклые галактики, окружающие яркие галактики, от которых исходило 'непонятное' излучение водорода. Другими словами, окружение этих галактик оказалось гораздо более оживленным местом, чем мы ранее думали, наполненным маленькими, тусклыми галактиками. Важно, что эти меньшие галактики взаимодействовали и сливались друг с другом, и Уэбб показал, что слияния галактик играют важную роль в объяснении загадочного излучения от самых ранних галактик. Серхио Мартин-Альварес, член команды из Стэнфордского университета, добавляет:

"Там, где Хаббл видел только большую галактику, Уэбб видит кластер меньших взаимодействующих галактик, и это открытие оказало огромное влияние на наше понимание неожиданного излучения водорода от некоторых первых галактик."

Затем команда использовала передовые компьютерные симуляции для изучения физических процессов, которые могли бы объяснить их результаты. Они обнаружили, что быстрое накопление звездной массы за счет слияния галактик приводило к сильному излучению водорода и способствовало утечке этого излучения через каналы, очищенные от нейтрального газа. Таким образом, высокая скорость слияния ранее не наблюдаемых меньших галактик представляла собой убедительное решение давней загадки 'непонятного' раннего излучения водорода.

Команда планирует провести последующие наблюдения за галактиками на разных стадиях слияния, чтобы продолжить развивать свое понимание того, как излучение водорода выбрасывается из этих изменяющихся систем. В конечном итоге это позволит им улучшить наше понимание эволюции галактик.

Эти результаты были опубликованы сегодня в журнале Nature Astronomy.

Примечания

[1] Излучение Лаймана-альфа - это свет, испускаемый на длине волны 121,567 нанометров, когда электрон в возбужденном атоме водорода переходит из возбужденного состояния орбитали n = 2 в основное состояние n = 1 (самое низкое энергетическое состояние, которое может иметь атом). Квантовая физика диктует, что электроны могут существовать только в очень конкретных энергетических состояниях, и это означает, что определенные энергетические переходы — такие как переход электрона в атоме водорода с орбитали n = 2 на n = 1 — можно идентифицировать по длине волны света, испускаемого во время этого перехода. Излучение Лайман-альфа важно во многих областях астрономии, частично потому, что водород так распространен во Вселенной, и также потому, что водород обычно возбуждается энергичными процессами, такими как активное звездообразование. Соответственно, излучение Лайман-альфа может использоваться как признак того, что здесь происходит активное звездообразование.

[2] Эпоха реионизации была очень ранним этапом в истории Вселенной, который произошел после рекомбинации (первой стадии после Большого взрыва). Во время рекомбинации Вселенная остыла настолько, что электроны и протоны начали объединяться, образуя нейтральные атомы водорода. Во время реионизации начали формироваться более плотные облака газа, создавая звезды и в конечном итоге целые галактики, свет которых постепенно реионизировал водородный газ.

[3] Нейтральный водородный газ состоит из атомов водорода, находящихся в самом низком энергетическом состоянии, которое они могут иметь, каждый с электроном в орбитали n = 1. Поскольку свет, испускаемый атомом водорода во время излучения Лаймана-альфа, несет энергию атомного перехода с орбитали n = 2 в n = 1, когда он попадает на нейтральный атом водорода, он имеет точно такое количество энергии, чтобы ионизировать атом и поднять его электрон на следующую доступную орбиталь. Это означает, что нейтральный газ легко поглощает и блокирует излучение Лайман-альфа.

Дополнительная информация

Вебб является самым крупным и мощным телескопом, когда-либо запущенным в космос. В рамках международного соглашения о сотрудничестве ЕКА обеспечило запуск телескопа с использованием ракеты-носителя "Ариан-5". Совместно с партнерами ЕКА вело разработку адаптаций "Ариан-5" для миссии Вебба и пользовалось услугами по запуску компании Arianespace. ЕКА также предоставило спектрограф NIRSpec и 50% среднеинфракрасного инструмента MIRI, который был разработан и построен консорциумом европейских институтов, финансируемых на национальном уровне (Европейский консорциум MIRI) в партнерстве с JPL и Университетом Аризоны.

Уэбб является международным партнерством между NASA, ЕКА и Канадским космическим агентством (CSA).

Международная команда астрономов в этом исследовании состоит из: Callum Witten (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK [IoA] and Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, UK [Kavli]), Nicolas Laporte (Kavli and Cavendish Laboratory, University of Cambridge, UK [Cavendish]) Sergio Martin-Alvarez (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford University, USA), Debora Sijacki (IoA and Kavli), Yuxuan Yuan (IoA and Kavli) Martin G. Haehnelt (IoA and Kavli), William M. Baker (Kavli and Cavendish), James S. Dunlop (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, UK), Richard S. Ellis (Department of Physics and Astronomy, University College London, UK [UCL]), Norman A. Grogin (Space Telescope Science Institute, USA [STScI]), Garth Illingworth (Department of Astronomy and Astrophysics, University of California, Santa Cruz, USA), Harley Katz (Department of Physics, University of Oxford, UK), Anton M. Koekemoer (STScI), Daniel Magee (UCO/Lick Observatory, University of California, Santa Cruz, USA), Roberto Maiolino (Kavli, Cavendish and UCL), William McClymont (Kavli and Cavendish), Pablo G. Pérez-González (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Spain) Dávid Puskás (Kavli and Cavendish), Guido Roberts-Borsani (Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, USA), Paola Santini (INAF - Osservatorio Astronomico di Roma, Italy), Charlotte Simmonds (Kavli and Cavendish).

Image Credit: ESA/Webb, NASA & CSA, S. Finkelstein (UT Austin), M. Bagley (UT Austin), R. Larson (UT Austin), A. Pagan (STScI), C. Witten, M. Zamani (ESA/Webb)

Ссылки:

Сопровождающее Видео:

Credit: C. Witten et al.

Объект:

Credit: ESA/Webb, NASA & CSA, C. Witten, M. Zamani (ESA/Webb)

понедельник, 29 января 2024 г.