10 Minutės
Neįprastas, be žvaigždžių objektas, pavadintas Cloud-9, aptiktas maždaug už 14,3 milijono šviesmečių, netoli spiralės formos galaktikos M94. Stebėjimai rodo, kad tai gali būti neutralaus vandenilio koncentracija, kurią valdo tamsioji materija — reta kandidatė į galaktiką, kuri niekada neuždegė nuolatinio žvaigždžių formavimo.
Šmėklinis debesis be žvaigždžių
Dauguma galaktikų, kurias tiriame, susideda iš trijų pagrindinių komponentų: žvaigždžių, barioninio dujų kiekio (daugiausia vandenilio) ir išplėsto tamsiosios materijos halelio, kuris suteikia gravitaciją, reikalingą sistema išlaikyti. Cloud-9, atrodo, pažeidžia šį standartinį modelį — jis talpina gana kompaktinę neutralaus vandenilio sritį, tačiau praktiškai nerodo jokio starlight (žvaigždžių šviesos). Toks derinys paverčia jį stipriu kandidatu tam, ką kosmologinės simuliacijos apibrėžia kaip reionizacijos ribotą H I debesį (Reionization-Limited H I Cloud, arba RELHIC).
RELHIC tipų objektai yra numatomi teorijoje: tai tamsiosios materijos haleliai, kurie ankstyvoje Visatos istorijoje surinko normalų baryoninį vandenilį, bet niekada nepasiekė tankio ar fizinių sąlygų, reikalingų nuolatiniam žvaigždžių formavimui. Aptiktas neutralaus vandenilio signalas Cloud-9 rodo, kad dujos yra vėsios ir pakankamai savisaugos (self-shielded) nuo intensyvios ultravioletinės foninės spinduliuotės; skirtingai nuo jonizuotų dujų, neutraliųjų vandenilis skleisdina silpną radijo spinduliuotę H I 21 cm linijoje, kurią gali registruoti didelio jautrumo radijo teleskopai.
Tokio tipo objektai yra svarbūs, nes jie užpildo spragas tarp teorinių simuliacijų ir stebėjimų, leidžia patikrinti reionizacijos poveikį mažiems haleliams ir padeda atskirti baryoninės fizikos bei tamsiosios materijos vaidmenis mažo masto struktūrų formavime. Be to, Cloud-9 pavyzdys leidžia praktiniu lygiu tirti, kaip neutralus H I elgiasi masyviame halelyje be žvaigždžių šilumos ir mechaninio grįžtamojo ryšio.
Cloud-9 daugelyje bangų ilgių yra nematomas. Neutralaus vandenilio emisija yra silpna radijo bangose.
Kaip atrastas ir išmatuotas Cloud-9
Objektas pirmąkart buvo identifikuotas neutralaus vandenilio (H I) apžiūroje, atliktoje naudojant Kinijoje esantį FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope). FAST aptikimas pažymėjo H I signalą netoli M94 (Katės akies galaktika), todėl buvo pradėtos tolesnės stebėjimų kampanijos su NSF palaikomu Green Bank Telescope (GBT) ir su Karl G. Jansky Very Large Array (VLA). Šių instrumentų aukštesnė erdvinė ir spektrinė raiška leido patikslinti eje aptiktą signalą ir atskirti Cloud-9 nuo aplinkos triukšmo bei galimų artimiausių šaltinių.
Aukštesnės raiškos radijo matavimai atskleidė apytiksliai sferinę neutralaus vandenilio koncentraciją, kurios skersmuo siekia apie 4 900 šviesmečių, o H I masė vertinama apie vieną milijoną Saulės masių. Spektrinė analizė ir profilio plotis nurodo, kad dujos nėra ryškiai sukasi — tai svarbus skirtumas lyginant su daugeliu nykštukinių galaktikų, kurių dujų turinyje paprastai matomas matuojamas kampinis momentas (rotacija). Cloud-9 radijo spektras pasižymi siauresniu profiliu ir maža sistemine rotacija, todėl dinaminės masės įvertinimas remiasi daugiau į judėjimo dispersiją ir presu (spaudos) palaikymą negu priešininkės rotacijos įtaka.
Norint patikrinti paslėptą žvaigždžių komponentą, tyrėjų komanda panaudojo gilias optines Hubble kosminio teleskopo (HST) nuotraukas. Hubble jautrumas būtų pakankamas aptikti net labai blankią nykštukinę galaktiką, panašią į Leo T, jeigu ji būtų Cloud-9 ribose. Rezultatas: praktiškai jokio užfiksuoto žvaigždžių šviesos signalo. Fotometrinė riba leidžia nustatyti, kad galimas žvaigždžių populiacijos masės viršutinis ribojimas yra keli tūkstančiai Saulės masių — tai kelių tvarkų dydžių mažiau nei įprasto nykštukinio galaktikos žvaigždžių masė. Tokios ribos suteikia tvirtą argumentą, kad Cloud-9 yra labai mažai žvaigždžių turintis arba visiškai bežvaigždžius objektas.
Be Hubble nuotraukų buvo atlikta ir papildomų bandymų: gilus fotometrinis skaitinis aptikimas įvairiuose filtruose, žvaigždžių skaičiaus tankio analizė ir paviršiaus ryškumo ribos nustatymas. Visi šie metodai sutapo – optiniuose duomenyse Cloud-9 nėra ryškaus žvaigždžių pėdsako, tad radijo signalas lieka pagrindinis įrodymas dėl jo egzistavimo ir prigimties.
Masės balansas ir pasekmės
Tam, kad neutralaus vandenilio sritis išliktų gravitaciškai susieta ir neišsisklaidytų, Cloud-9 reikalingas tamsiosios materijos halelis maždaug kelių milijardų Saulės masių skalėje — komanda vertina jo masę apie 5 × 10^9 Saulės masių. Tokia masės ir dujų santykio kombinacija patalpina Cloud-9 į griežtai tamsiąją materiją dominuojančių sistemų klasę, kas dera su RELHIC scenarijumi: baryonai (įprastos dujos) buvo išlaikyti halelyje, tačiau neperėjo į žvaigždes.
Dinaminis masės įvertis gaunamas vertinant dujų spindulio pasiskirstymą, spindulinį profilio plotį (angl. linewidth) ir galimą dispersiją. Kai rotacija maža arba jos nėra, masė apskaičiuojama pagal presinių ir terminių komponentų indėlį į ravėjimo stabilumą; tokie skaičiavimai dažnai turi didesnę nežinomybę nei gerai sukantiems diskams. Vis dėlto masės ir H I santykis pateikia aiškų signalą: Cloud-9 yra tamsiosios materijos turtingas halelis su žymiai mažesne nei kosminė baryonų frakcija transformuotą į žvaigždes.
Šis masės balansas turi kelias svarbias pasekmes: pirmiausia, jis patvirtina, kad mažų halelių viduje baryonų išsaugojimas gali vykti be žvaigždžių formavimo; antra, jis suteikia eksperimentinį poligoną testuoti reionizacijos ir šiluminio poveikio modelius, kurie prognozuoja, jog tam tikros masės ribos žemiau tam tikro modelio bus nevienodai paveiktos ir praras dujas arba negalės jų kondensuoti iki pakankamo tankio žvaigždžių susidarymui.
Kodėl Cloud-9 svarbus galaktikų formavimuisi ir tamsiajai materijai
Cloud-9 gali būti aiškiausias artimas pavyzdys halelio, kuris užsistovėjo tarp būsenos „tamsiosios materijos krešulys“ ir pilnavertės šviesios galaktikos. Kosmologinės struktūrų formavimo modeliai prognozuoja daugybę mažų tamsiosios materijos halelių; ar jie virsta spindinčiomis galaktikomis, priklauso nuo jų masės, dujų turinio, aplinkos ir nuo kosminės reionizacijos poveikio. Reionizacija ir vėlesnis tarpgalaktinės terpės įkaitinimas gali nuplėšti arba jonizuoti dujas mažose sistemose, taip užkertant kelią žvaigždžių formavimuisi. Suradus vientisą, gravitaciškai susietą neutralaus vandenilio debesį masyviame halelyje, patvirtinamos tam tikros šių prognozių dedamosios.
Tokio tipo atradimas taip pat svarbus sprendžiant mažo masto problemas, kylančias iš šiuolaikinės tamsiosios materijos teorijos (LCDM). Viena problema — trūkstančių palydovinių galaktikų problema (missing satellites problem) — kyla todėl, kad simuliacijos numato daugiau mažų halelių nei stebime žvaigždžių turinčių palydovų. Jei dalis halelių liko tamsūs, nes neformavo žvaigždžių (RELHIC tipo atvejai), tai gali sumažinti skirtumą tarp teorijos ir stebėjimų. Be to, Cloud-9 savybės leidžia patikrinti skirtingų tamsiosios materijos modelių (šalta tamsioji materija, šilta ar savitarpiškai veikianti tamsioji materija) prognozes dėl mažų skalinių struktūrų tankio ir branduolių formavimosi.
Kiti galimi RELHIC kandidatai buvo pranešti anksčiau, tačiau dauguma jų yra dviprasmiški: kai kurie rodo silpną žvaigždžių komponentą, kiti yra potvynių (tidal) nuolaužų dalis arba yra arčiau esančių priekinio plano debesys. Cloud-9 yra įtikinamas dėl trijų priežasčių: (1) jis neturi aptinkamų žvaigždžių, (2) jis nerodo reikšmingos rotacijos ir (3) jo atstumas yra tvirtai susietas su M94, todėl yra patikimesnis nei atsitiktiniai foreground/ background šaltiniai. Šių savybių kombinacija sumažina alternatyvių paaiškinimų tikimybę ir sustiprina RELHIC interpretaciją.
Susiję stebėjimai ir ateities perspektyvos
Tolesni darbai orientuoti į Cloud-9 tamsiosios materijos profilio, hidrodinamikos ir galimų silpnų žvaigždžių arba ankstyvo žvaigždžių formavimo pėdsakų paiešką. Gili optinė ir artimo infraraudonųjų spindulių (NIR) įžiūra, ultravioletiniai (UV) tyrimai dėl jonizuotų dujų, ir didesnio jautrumo radijo žemėlapiai gali atskleisti žemo paviršiaus ryškumo žvaigždes ar subtilias kinematines struktūras. Ypač vertingi būtų tokie prietaisai kaip JWST (James Webb Space Telescope) gili fotometrija, MUSE integruotos lauko spektroskopija (bandant aptikti silpną emisiją) arba aukšto jautrumo skaitmeninės radijo matricos su didesne erdvine raiška.
Ateities radijo teleskopai, tokie kaip Square Kilometre Array (SKA), kartu su dabar veikiančiomis kaip MeerKAT ir ASKAP, turės pakankamai jautrumo ir ploto, kad atliktų plataus masto H I paieškas, galinčias aptikti daugiau RELHIC tipo objektų. Plataus lauko optinės ir laikinosios apžvalgos (pvz., Vera C. Rubin Observatory / LSST) gali padėti identifikuoti aplinką ir galimus foninius šaltinius, reikalingus absorbcijos tyrimams (pavyzdžiui, H I ar metalo linijų absorbcijai priešais foninius kvazarus). Tokie suradimai leistų atlikti statistinius testus: kiek halelių nepavyksta formuotis į žvaigždžių turinčias galaktikas, kokiomis masėmis ir kokiomis aplinkos sąlygomis tai vyksta.
Tolesnės analizės taip pat gali apriboti tamsiosios materijos pasiskirstymą mažose skalėse — srityje, kurioje skirtingi tamsiosios materijos modeliai prognozuoja skirtingus elgesio skirtumus. Pavyzdžiui, savitarpiškai veikianti tamsioji materija gali sukelti švelnesnius centrinius tankius, o šilta tamsioji materija gali sumažinti mažų halelių skaičių. Cloud-9 ir panašūs objektai suteikia unikalų observacinį poligoną šiems hipotezėms patikrinti.
Galiausiai, svarbu paminėti ir techninius iššūkius: neutralaus vandenilio emisija yra silpna, H I stebėjimai jautrūs tiek radioteleskopų jautrumui, tiek interferometrijos uždengimo (uv coverage) kokybei; optiniai aptikimai ribojami paviršiaus ryškumo riba ir fono triukšmu. Todėl daug kandidatų gali likti nepastebėti arba misinterpretuoti be kombinacijos radijo, optinių ir UV priemonių.
Eksperto komentaras
„Cloud-9 suteikia mums artimą pavyzdį halelio, kuris galbūt išlaikė dujas, bet niekada neperžengė ribos žvaigždžių formavimuisi,“ teigia dr. Mira Solano, stebinimų kosmologė iš Institute for Extragalactic Studies. „Tokių objektų studijavimas padeda sujungti taškus tarp kosmologinių simuliacijų ir to, ką mes iš tikrųjų stebime: jie yra trūkstami grandinės elementai tarp tamsiosios struktūros formavimosi ir šviesių galaktikų.“
Dr. Solano priduria: „Jeigu bus rasta daugiau RELHIC tipo objektų, galėsime pradėti žemėlapiuoti ribines sąlygas, kuriose galaktikų formavimasis pavyksta arba žlunga — o tai turi pasekmių tiek astrofizikai, tiek dalelių fizikai, susijusiai su tamsiąja materija.“
Išvados
Cloud-9 išsiskiria kaip vienas iš geriausių kandidatų į „nepavykusią“ galaktiką: tanki neutralaus vandenilio kišenė, apsupta masyvaus tamsiosios materijos halelio, bet be žvaigždžių. Nesvarbu, ar jis liks amžinu reliktu, ar ateityje kažkiek formuos žvaigždes, Cloud-9 suteikia retą, artimą pavyzdį ankstyvos kosminės struktūros, kuris gali patikrinti reionizacijos teorijas, baryonų išlaikymą ir tamsiosios materijos elgesį mažose skalėse. Tolimesni ir artėjantys stebėjimai nuspręs, ar šis objektas yra unikalus atvejis, ar pirmasis iš daugybės tyliai tamsių halelių, kurie laukia aptikimo.
Apibendrinant, Cloud-9 tyrimas atveria kelis svarbius tyrimų kelius: gilinti supratimą apie H I fizikos savisaugą reionizacijos fone, sistemingai ieškoti analogų didelio ploto H I apžvalgose ir naudoti tokius atvejus kaip eksperimentinį poligoną tamsiosios materijos modelių testavimui. Tai taip pat primena, kad Visata turi daug paslėptų elementų, kuriuos galima atrasti tik derinant skirtingų bangų ilgių stebėjimus ir teorinius modelius.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą