8 Minutės
Kaip kosminės šviesos įsiplieskė
Astronomai vis arčiau atsakymo į seną klausimą: kas apšvietė ankstyvąją Visatą per vadinamąją kosminę aušrą. Nauji analizės darbai, sujungę gilius James Webb kosminio teleskopo (JWST) stebėjimus su Hubble archyvais, rodo netikėtą šaltinį: didelę, iki šiol nepakankamai įvertintą, silpnų nykštukinių galaktikų populiaciją. Kartu šios galaktikos galėjo pagaminti pakankamą kiekį jonizuojančių fotonų, kad išsklaidytų neutralų vandenilį tarpgalaktinėje erdvėje ir užbaigtų kosminę reionizaciją.
Tarptautinė grupė, vadovaujama Hakimo Ateko ir publikavusi rezultatus 2024 m., teigia, kad mažos masės galaktikų bendras ultravioletinis (UV) spinduliavimas – kurių yra žymiai daugiau ir kurių bendra šviesa yra ryškesnė nei manyta iki šiol – galėjo pakeisti daugiausia neutralią vandenilio miglą ankstyvojoje Visatoje į jonizuotą plazmą, leidžiančią žvaigždžių šviesai keliauti toliau ir labiau neblokuotai. Ši išvada perkelia dėmesį nuo retesnių ir ryškių šaltinių prie platesnės ir gausesnės nykštukinių sistemų populiacijos.
Mokslinis kontekstas: rekombinacija, tamsieji amžiai ir reionizacija
Pirmosiomis minutėmis po Didžiojo sprogimo Visata buvo karšta, jonizuota plazma. Maždaug per 300 000 metų ji atvėso tiek, kad protonai ir elektronai susijungė į neutralius vandenilio ir heliumo atomus – tai vadinama rekombinacijos epocha. Po to prasidėjo kosminiai „tamsieji amžiai“: tarpgalaktinę erdvę užpildė neutralus dujų sluoksnis, laisvų elektronų buvo nedaug, todėl fotonai stipriai sklaidosi ir negalėjo toli nukeliauti.
Kai iš tų pirminių dujų susiformavo pirmosios žvaigždės ir galaktikos, jų aukštos energijos ultravioletiniai fotonai pradėjo jonizuoti vandenilį – išlaisvinti elektronus iš atomų ir palaipsniui išsklaidyti tą miglą. Ši kosminės reionizacijos epocha buvo baigta maždaug per vieną milijardą metų po Didžiojo sprogimo (apie z ~ 6), kai dauguma tarpgalaktinio vandenilio tapo jonizuota ir Visata tapo skaidresnė daugeliu bangų ilgių. Kas buvo pagrindiniai jonizuojančios spinduliuotės šaltiniai – didžiulės galaktikos, kvorasai aplink supermasyvias juodąsias skyles ar gausios mažosios sistemos – išlieka kertiniu klausimu stebimosios kosmologijos tyrimuose.
Stebėjimai ir metodai: lęšio efektas, JWST spektrai ir Hubble vaizdai
Atekas ir jo bendraautoriai pasitelkė JWST giluminės srities spektroskopiją galaktikų, stebėtų per gravitacinį lęšį Abell 2744 klasteryje, kartu su aukštos raiškos Hubble vaizdais. Abell 2744 vaizdo lauke yra atstovaujama įvertinamoji ~50 000 šaltinių netoli infraraudonųjų spindulių diapazone – vaizdas perteikia itin gausų foną. (NASA, ESA, CSA, I. Labbe/Swinburne University of Technology, R. Bezanson/University of Pittsburgh, A. Pagan/STScI)
Abell 2744 veikia kaip natūralus padidinimo stiklas: jo didžiulė masė iškreipia erdvėlaikį ir stipriai sustiprina labai tolimų foninių galaktikų šviesą. Gravitacinis lęšis leido tyrėjams aptikti ir apibūdinti labai silpnas galaktikas, kurios kitaip būtų likusios už stebėjimo ribų. JWST suteikė spektrinį jautrumą, reikalingą išmatuoti požymius, susijusius su jonizuojančių fotonų gamyba – pavyzdžiui, UV kontinuumo nuolydžius ir emisijos linijas, diagnostines jaunoms, masyvioms žvaigždžių populiacijoms bei žemo metalo kiekio žymėms.
Išsami spektrinė analizė atskleidė du svarbius aspektus: pirmiausia – nykštukinės galaktikos zyg'dų, atitinkamų kosminės aušros laikotarpiui, gausa yra žymiai didesnė už didesnių sistemų skaičių – aptariamoje lauko dalyje skaičius siekia maždaug 100 prie 1 – ir antra, jų bendra jonizuojančioji spinduliuotė viršija ankstesnius įverčius. Tyrėjai nustatė, kad šių mažųjų galaktikų bendras jonizuojančių fotonų srautas yra apie keturis kartus didesnis, nei buvo prognozuota, jeigu reionizaciją būtų dominavusios tik didelės galaktikos.
Pagrindinės išvados ir pasekmės
- Abundantija: Ultra silpnos nykštukinės galaktikos, regis, dominuoja galaktikų skaičiaus skaičiavimuose ankstyvoje Visatoje. Jų gausa kompensuoja atskirų objektų silpnumą ir leidžia suformuoti reikšmingą bendrą spinduliuotę.
- Jonizuojantis efektyvumas: Šios nykštukės yra efektyvios jonizuojančių fotonų gamintojos. Tai lemia keli veiksniai: jaunų, karštų žvaigždžių populiacijos, žemas metalingumas (mažiau elementų, sunkiųjų nei helis), taip pat palyginti porėta tarpžvaigždinė terpė, leidžianti fotonams išeiti iš galaktikų ir patekti į tarpgalaktinę erdvę.
- Reionizacijos variklis: Sumavus visą populiaciją, nykštukų jonizuojantis srautas gali paaiškinti didelę dalį, o galbūt ir daugumą, fotonų, reikalingų užbaigti kosminę reionizaciją iki z ~ 6 (maždaug vienas milijardas metų po Didžiojo sprogimo).
Šios išvados perorientuoja tyrimų akiratį nuo retų, šviesių šaltinių – tokių kaip kvorasai ir masyvios žvaigždžių audros galaktikos – į daug gausesnes mažos masės sistemas kaip galimus pagrindinius ankstyvosios Visatos transformacijos veikėjus. Tai turi tolimesnių pasekmių modeliams apie ankstyvąją struktūrų formavimąsi, tarpusavio sąveikas tarp spinduliuotės ir dujų, bei metalų kaupimąsi pirmosiose žvaigždžių kartose.
Apribojimai ir būsimieji darbai
Nors Abell 2744 lęšio laukas suteikia beprecedentę galimybę pamatyti silpnas ankstyvąsias galaktikas, tyrimas apima gana mažą dangaus plotą. Tyrėjai pabrėžia būtinybę ištirti kelis lęšio klasterius ir taip pat „tuščius“ (blank) laukus, kad būtų patvirtinta, jog šis regionas yra reprezentatyvus, o ne anomalija. Reikės platesnių JWST programų, derinamų su Hubble archyvais ir būsimos žemės stebėjimų kampanijomis, kad padidintų imčių dydį ir patikslintų pagrindinius parametrus, tokius kaip fotonų pabėgimo frakcija (escape fraction) bei natūrali UV ryškumo funkcija mažųjų galaktikų populiacijoje.
Taip pat būtini patobulinti žvaigždžių populiacijų modeliai, radiatyvinio perdavimo per tarpžvaigždinę dujų terpę simuliacijos ir populiacijų sintezė esant žamam metalingumui. Tokie darbai padės susiaurinti netikrumus apie jonizuojančių fotonų gamybos tempus ir poveikį. Tikslūs modeliai – imituojantys, kaip fotonai išeina iš galaktikų per skilimus ar poras tarpžvaigždinėje terpėje, taip pat kaip žvaigždžių sprogimai ir kitokie atgalinės ryšio mechanizmai veikia mažus halus – yra būtini, kad galėtume patikimai įvertinti, ar nykštukinės galaktikos tikrai buvo pagrindinės reionizacijos varikliai.
JWST giluminio lauko vaizdas su kai kuriais šaltiniais, kuriuos tyrėjai identifikavo kaip reionizaciją varančias sistemas. (Hakim Atek/Sorbonne University/JWST)
Be to, reikia patikslinti žemo metalingumo žvaigždžių populiacijų ir žvaigždžių masės pasiskirstymo (initial mass function) parametrus, bei įvertinti, kaip energijos išsiskyrimas iš žvaigždžių ir su jomis susiję procesai – pavyzdžiui, supernovų antplūdžiai ir žvaigždžių vėjai – įtakoja fotonų pabėgimą. Daugiafunkciniai stebėjimai, jungiantys spektroskopiją, fotometriją ir teorines simuliacijas, duos patikimesnius ribinius dydžius ir padės identifikuoti, ar aptiktos nykštukų savybės yra tipiškos ar priklausomos nuo konkrečių aplinkos sąlygų.
Eksperto komentaras
„Tai paradigmos keitimo rezultatas, pabrėžiantis, kad didelė skaičiaus populiacija kuklių galaktikų gali turėti daug didesnį poveikį kosminei evoliucijai nei buvo manoma,“ teigė dr. Lila Moreno, stebimoji kosmologė, nedalyvavusi tyrime. „JWST jautrumas, suderintas su gravitaciniu lęšiu, leidžia mums suskaičiuoti silpnas sistemas, kurios anksčiau buvo nematomos. Patvirtinti šiuos rezultatus plačiau – keliose srityse ir klasteriuose – bus kitas svarbus žingsnis, bet reikšmė yra aiški: mažos masės galaktikos greičiausiai buvo varikliai, įjungę reionizaciją.“
„Jei šie išvados išliks patikimos, jos paveiks modelius apie ankstyvąją galaktikų formavimąsi, reionizacijos laiko juostą ir mūsų supratimą apie struktūrų augimą per pirmąjį milijardą metų,“ pridūrė ji. Toks persiorientavimas gali skatinti naujus teorinius tyrimus ir pritaikytas stebėjimo strategijas, orientuotas į didelius skaičius silpnų objektų, o ne tik į retus, labai ryškius šaltinius.
Ateities perspektyvos ir susijusi technologija
Ateinančiuose JWST stebėjimų cikluose planuojama atlikti daug daugiau giluminių laukų taškų ir lęšiavimo klasterių apklausų, orientuotų į Visatą z > 6. Papildomos priemonės – pavyzdžiui, Extremely Large Telescope (ELT), naujos kartos radio antenų tinklai, ieškantys neutraliojo vandenilio 21-cm signalo, ir pažangūs UV gebantys kosminiai teleskopai – padės žemėlapiuoti reionizacijos topologiją ir patikrinti, ar nykštukinės galaktikos dominavo kosminiame mastelyje.
Ypač svarbu bus nustatyti fotonų pabėgimo frakcijas iš skirtingų galaktikų tipų, suprasti žvaigždžių pradinio masės pasiskirstymo ypatybes metalų stokojančiose aplinkose ir išanalizuoti grįžtamojo ryšio procesus mažų halų viduje. Jei nykštukinės galaktikos iš tiesų uždegė „šviesas“ Visatoje, jos taip pat suteiks prieinamą laboratoriją ankstyvos žvaigždžių formacijos procesams, pirmųjų sunkiųjų elementų kaupimuisi ir cheminių procesų raidai pirmųjų galaktikų istorijoje. Tai gali turėti ilgalaikį poveikį tiek stebimosios, tiek teorinės astrofizikos kryptims.
Išvados
JWST atvėrė naują langą į kosminę aušrą. Dabartiniai duomenys iš lęšiavimo lauko Abell 2744 rodo, kad ultra silpnos nykštukinės galaktikos, nepaisant savo mažo dydžio ir individualaus silpnumo, kartu galėjo suteikti pakankamą kiekį jonizuojančių fotonų kosminei reionizacijai. Šie atradimai perrašinė mūsų supratimą apie ankstyvąją Visatą ir iškelia aiškią darbotvarkę: išplėsti apklausas, patikslinti spektrinius diagnostinius rodiklius ir kruopščiai išbandyti, ar šios smulkios galaktikos tikrai buvo pagrindiniai Visatos „apšvietėjai“.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą