Понедельник, 4 марта, 2024
ДомойКосмосТелескоп Уэбб разгадывает космическую загадку: слияния галактик проливают свет на тайну ранней...

Телескоп Уэбб разгадывает космическую загадку: слияния галактик проливают свет на тайну ранней Вселенной

- Advertisement -

Камера NIRCam космического телескопа Джеймса Уэбба обнаружила маленькие, слабые галактики, сливающиеся с более крупными в ранней Вселенной, разгадав тайну обнаруженного водородного света, который должен был быть скрыт. Это открытие, наряду с передовым моделированием, проливает свет на формирование и эволюцию галактик в зачаточном состоянии Вселенной. Фото: С. Мартин-Альварес.

Одна из ключевых задач организации НАСА/ЕКА/ККА Космический телескоп Джеймса Уэбба Цель исследования ранней Вселенной. Теперь непревзойденное разрешение и чувствительность прибора NIRCam Уэбба впервые раскрыли, что находится в локальном окружении галактик в самой ранней Вселенной.

Это разрешило одну из самых загадочных загадок астрономии – почему астрономы обнаруживают свет от атомов водорода, который должен был быть полностью заблокирован первозданным газом, образовавшимся после Большой взрыв.

Разгадка астрономической загадки

Эти новые наблюдения Уэбба обнаружили небольшие, слабые объекты, окружающие те самые галактики, которые демонстрируют «необъяснимое» излучение водорода. В сочетании с современным моделированием галактик в ранней Вселенной наблюдения показали, что хаотическое слияние этих соседних галактик является источником выброса водорода.

Свет распространяется с конечной скоростью (300 000 км в секунду), а это означает, что чем дальше находится галактика, тем дольше свету от нее требуется время, чтобы достичь нашей Солнечной системы. В результате наблюдения самых далеких галактик не только позволяют исследовать дальние уголки Вселенной, но и позволяют нам изучать Вселенную такой, какой она была в прошлом.

На этом изображении показана галактика EGSY8p7, яркая галактика в ранней Вселенной, в которой видно излучение света, среди прочего, от возбужденных атомов водорода – излучение Лаймана-α. Галактика была идентифицирована в поле молодых галактик, изученном Уэббом в обзоре CEERS. На двух нижних панелях высокая чувствительность Уэбба выделяет эту далекую галактику вместе с двумя соседними галактиками, тогда как предыдущие наблюдения видели только одну более крупную галактику на ее месте. Авторы и права: ЕКА/Уэбб, НАСА и ККА, С. Финкельштейн (Юта Остин), М. Бэгли (Юта Остин), Р. Ларсон (Юта Остин), А. Пэган (STScI), К. Виттен, М. Замани (ЕКА). /Уэбб)

Возможности Уэбба и ранние наблюдения галактик

Чтобы изучить очень раннюю Вселенную, астрономам требуются исключительно мощные телескопы, способные наблюдать очень далекие – и, следовательно, очень слабые – галактики. Одной из ключевых возможностей Уэбба является его способность наблюдать за очень далекими галактиками и, следовательно, исследовать раннюю историю Вселенной. Международная команда астрономов нашла превосходное применение удивительным способностям Уэбба в разгадке давней загадки астрономии.

Самые ранние галактики были местами энергичного и активного звездообразования и, как таковые, были богатыми источниками света, излучаемого атомами водорода, называемого излучением Лаймана-α.[1]

Однако в эпоху реионизации[2] огромное количество нейтрального газообразного водорода окружало эти области активного звездообразования (также известные как звездные питомники). Более того, пространство между галактиками было заполнено большим количеством этого нейтрального газа, чем сегодня. Газ может очень эффективно поглощать и рассеивать этот вид выбросов водорода.[3] поэтому астрономы уже давно предсказывали, что обильное излучение Лаймана-α, выпущенное в самой ранней Вселенной, сегодня не должно быть наблюдаемо.

Однако эта теория не всегда выдерживала проверку, поскольку ранее астрономы наблюдали примеры очень раннего выделения водорода. Это представляет собой загадку: как же наблюдается эта эмиссия водорода, которая уже давно должна была быть поглощена или рассеяна? Исследователь из Кембриджского университета и главный исследователь нового исследования Каллум Виттен уточняет:

«Одной из самых загадочных проблем, выявленных предыдущими наблюдениями, было обнаружение света атомов водорода в самой ранней Вселенной, который должен был быть полностью заблокирован первозданным нейтральным газом, образовавшимся после Большого взрыва. Ранее было предложено множество гипотез, объясняющих столь масштабный выброс этого «необъяснимого» излучения».

На этом изображении показана галактика EGSY8p7, яркая галактика в ранней Вселенной, в которой видно излучение света, среди прочего, от возбужденных атомов водорода – излучение Лаймана-α. Высокая чувствительность Уэбба выделяет эту далекую галактику вместе с двумя соседними галактиками, тогда как предыдущие наблюдения видели только одну более крупную галактику на ее месте. Авторы и права: ЕКА/Уэбб, НАСА и ККА, К. Виттен, М. Замани (ЕКА/Уэбб)

Слияния галактик и выбросы водорода

Прорыв команды стал возможен благодаря выдающемуся сочетанию Уэбба углового разрешения и чувствительности. Наблюдения с помощью прибора NIRCam Уэбба позволили различить меньшие и более тусклые галактики, окружающие яркие галактики, из которых было обнаружено «необъяснимое» излучение водорода. Другими словами, окрестности этих галактик кажутся гораздо более оживленными, чем мы думали ранее, и заполнены маленькими, тусклыми галактиками. Важно отметить, что эти меньшие галактики взаимодействовали и сливались друг с другом, и Уэбб обнаружил, что слияния галактик играют важную роль в объяснении таинственного излучения самых ранних галактик. Серхио Мартин-Альварес, член команды из Стэнфордского университета, добавляет:

«Там, где Хаббл видел только большую галактику, Уэбб видит скопление взаимодействующих галактик меньшего размера, и это открытие оказало огромное влияние на наше понимание неожиданного выброса водорода из некоторых из первых галактик».

Моделирование Azahar, показанное в этом видео, является результатом сотрудничества Стэнфордского университета и Кембриджского университета, созданного на суперкомпьютерах Cosma на мощностях DIRAC UK HPC. Фото: С. Мартин-Альварес.

Затем команда использовала современное компьютерное моделирование (пример которого показан на видео выше), чтобы изучить физические процессы, которые могли бы объяснить их результаты. Они обнаружили, что быстрое наращивание звездной массы в результате слияния галактик одновременно вызывало сильное выделение водорода и способствовало выходу этого излучения через каналы, очищенные от обильного нейтрального газа. Таким образом, высокая скорость слияния ранее не наблюдавшихся меньших галактик представила убедительное решение давней загадки «необъяснимого» раннего выброса водорода.

Будущие исследования и понимание эволюции галактик

Команда планирует последующие наблюдения за галактиками на различных стадиях слияния, чтобы продолжить понимание того, как выбросы водорода выбрасываются из этих изменяющихся систем. В конечном итоге это позволит им улучшить наше понимание эволюции галактик.

Эти выводы были опубликованы 18 января в журнале Природа Астрономия.

Примечания

  1. Эмиссия Лаймана-α — это свет, излучаемый с длиной волны 121,567 нанометра, когда электрон в возбужденном водороде атом переходит из возбужденного состояния на орбитали n = 2 в основное состояние n = 1 (состояние с самой низкой энергией, которое может иметь атом). Квантовая физика утверждает, что электроны могут существовать только в очень специфических энергетических состояниях, а это означает, что определенные энергетические переходы – например, когда электрон в атоме водорода переходит с орбитали n = 2 на n = 1 – можно идентифицировать по длине волны свет, излучаемый во время этого перехода. Излучение Лаймана-α важно во многих областях астрономии, отчасти потому, что во Вселенной очень много водорода, а также потому, что водород обычно возбуждается энергетическими процессами, такими как продолжающееся активное звездообразование. Соответственно, излучение Лаймана-α можно использовать как признак того, что происходит активное звездообразование.
  2. Эпоха реионизации — очень ранний этап истории Вселенной, наступивший после рекомбинации (первый этап после Большого взрыва). Во время рекомбинации Вселенная настолько остыла, 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 газообразный водород.
  3. Нейтральный газообразный водород состоит из атомов водорода, которые находятся в самом низком энергетическом состоянии, в котором они могут находиться, каждый из которых имеет свой электрон на орбите n = 1. Поскольку свет, излучаемый атомом водорода во время излучения Лаймана-α, несет энергию атомного перехода от орбитали от n = 2 до n = 1, когда он сталкивается с нейтральным атомом водорода, он имеет ровно столько энергии, сколько необходимо для ионизации атома и перевода его электрона на следующую доступную орбиталь. Это означает, что нейтральный газ очень легко поглощает и блокирует излучение Лаймана-α.

Ссылка: «Расшифровка излучения Лаймана-α в эпоху реионизации» Каллума Виттена, Николаса Лапорта, Серхио Мартина-Альвареса, Деборы Сиджаки, Юсюань Юань, Мартина Г. Хенельта, Уильяма М. Бейкера, Джеймса С. Данлопа, Ричарда С. Эллис, Норман А. Грогин, Гарт Иллингворт, Харли Кац, Антон М. Кукемоер, Дэниел Маги, Роберто Майолино, Уильям МакКлимонт, Пабло Г. Перес-Гонсалес, Давид Пушкаш, Гвидо Робертс-Борсани, Паола Сантини и Шарлотта Симмондс, 18 лет январь 2024 г., Природа Астрономия.
DOI: 10.1038/s41550-023-02179-3

Больше информации

Космический телескоп Джеймса Уэбба — самый большой и мощный телескоп, когда-либо запущенный в космос. В соответствии с соглашением о международном сотрудничестве ЕКА предоставило услуги по запуску телескопа с использованием ракеты-носителя Ariane 5. Работая с партнерами, ЕКА отвечало за разработку и квалификацию адаптации Ariane 5 для миссии Уэбба, а также за закупку услуг запуска от Arianespace. ЕКА также предоставило мощный спектрограф NIRSpec и 50% прибора среднего инфракрасного диапазона MIRI, который был спроектирован и изготовлен консорциумом европейских институтов, финансируемых государством (Европейский консорциум MIRI) в партнерстве с Лаборатория реактивного движения и Университет Аризоны.

Уэбб — это международное партнерство между НАСА, ЕКА и Канадским космическим агентством (CSA).

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме