7 Minutės
Jos slėpėsi šaltame šviesos tarpžvaigždiniame fone — blankios, dulkėmis apklotos galaktikos, kurios stumtelėja intensyvaus žvaigždžių formavimo epochą dar giliau į Visatos praeitį. Šis atradimas nėra mažas pastūmėjimas mūsų kosminės istorijos pasakojime. Tai tiesioginis iššūkis modeliams, kurie iki šiol apibūdino ankstyvąją galaktikų evoliuciją.
Naudodami galingą ALMA ir James Webb kosminio teleskopo derinį, mokslininkai identifikavo blankias, dulkėmis apklotas galaktikas ties stebimos Visatos riba. Šios ilgai paslėptos sistemos gali atstovauti pereinamajam etapui galaktikų evoliucijoje, sujungdamos anksčiau atskirtas populiacijas.
Tarptautinė grupė, vadovaujama Masačusetso universiteto Amherst (University of Massachusetts Amherst), atrado populiaciją dulkėtų, intensyviai žvaigždžių formuojančių galaktikų, kurios susiformavo maždaug už vieno milijardo metų po Didžiojo sprogimo. Bendradarbiavime dalyvavo beveik 50 astronomų iš 14 šalių; tyrėjai sujungė gilius submilimetrinius ALMA vaizdus su JWST (James Webb Space Telescope) artimosios infraraudonosios srities stebėjimais, todėl pavyko atskleisti objektus, kurių dažniausiai praleidžia optinės apžvalgos.
Tyrimas ne tik identifikavo atskirus šaltinius, bet ir parodė, kaip svarbu naudoti daugiafunkcinį požiūrį: ALMA jautrumas submilimetriniam spinduliavimui ir JWST gylis artimoje infraraudonojoje srityje suteikia abipusiai papildančią informaciją. Tokiu būdu mokslininkai gali aptikti ir analizuoti galaktikas, kurios pagal optinius kriterijus būtų beveik nematomos.
Kaip juos atrado
Dulkės astronomijoje veikia kaip dvigubas agentas: jos uždengia ir tuo pačiu signalizuoja. Smulkios anglies ir silikatų dalelės sugeria ultravioletinę ir matomąją šviesą, skleidžiamą jaunų, karštų žvaigždžių, todėl tokios galaktikos tradicinėse optinėse apžvalgose gali atrodyti menkai matomos arba visiškai nematomos. Tačiau tas pats dulkėtumas įkaista ir atspindi sugertą energiją kaip infraraudonąją šviesą — spinduliavimą, kurį gali užfiksuoti ALMA ir JWST skirtinguose, bet papildomuose bangų ilgiuose.
Pradinė ataka prasidėjo nuo ALMA aptikimų: apie 400 ryškių, dulkėtais elementais turtingų šaltinių, identifikuotų submilimetrinėje srityje. Šie šaltiniai žymėjo vietas, kur gali būti stiprus tolimosios infraraudonosios emisijos komponentas. Tada komanda ieškojo atitikmenų JWST artimosios infraraudonosios srities žemėlapiuose, siekdama susieti submilimetrinius signalus su optinėmis/infraredinėmis kontrapartijomis. Iš šios paieškos išsirutuliojo maždaug 70 kandidatų, kurių spalvos ir silpni spinduliai rodė didelius atstumus — t. y. labai aukštus raudonojo poslinkio rodiklius.
Norint pakelti šiuos silpnus signalus virš triukšmo ribos, mokslininkai taikė duomenų kaupimo ("stacking") metodiką. Stacking technika apima daugelio stebėjimų vidurkio skaičiavimą, kad būtų atskleistas bendras emisijos signalas iš daugybės objektų, kurie atskirai yra per silpni patikimai analizei. Tokiu būdu buvo patvirtinta, kad dalis kandidatų iš tikrųjų yra dulkėtos sistemos, susiformavusios beveik prieš 13 milijardų metų.
Stačėje analizėje autorių komanda išskiria apie aštuoniolika galaktikų, kurių numatytos amžiaus ir fizinės savybės rodo, jog jos priklauso pirmajam Visatos milijardui metų pabaigos etapui — laikotarpiui, kai pagal tradicinius modelius tokio dydžio ir tokio dulkėtumo sistemos turėtų būti retos. Tai reiškia, kad sunkieji elementai ir dulkės galėjo susiformuoti ir pasklisti kur kas anksčiau nei manyta.
"Mes matome galaktikas, kurios labai greitai sukaupė metalus ir dulkes," teigė Jorge Zavala, pagrindinis autorius ir astronomijos lektorius UMass Amherst. "Jų egzistavimas rodo intensyvų žvaigždžių formavimąsi ir cheminį praturtėjimą žymiai anksčiau nei paprasčiausi modeliai numatė."
Kodėl tai svarbu kosminei evoliucijai
Nauja atrasta populiacija gali būti trūkstama grandis fragmentuotoje laiko juostoje. Pastarieji JWST tyrimai aptiko ultra-ryškias, intensyviai žvaigždžių formuojančias galaktikas labai aukštuose raudonojo poslinkiuose — tai tarsi Visatos energinga paauglystė. Kitoje skalės pusėje stebėtojai identifikavo nustebinančiai masyvias ramias (quiescent) galaktikas, kurios, atrodo, nutraukė žvaigždžių formavimąsi per vieną ar du milijardus metų po Didžiojo sprogimo. Dulkėtos galaktikos užima tarpinę poziciją tarp šių fazių: jos nėra karščiausios, mėlyniausios naujagimės, bet dar ir ne išblėsusios senolės. Jas galima palyginti su Visatos jaunuoliais — aktyviais, tačiau jau turinčiais istoriją ir cheminį turinį.
Toks vaizdas keičia supratimą apie tai, kada ir kaip susiformavo sunkieji elementai (metalai) bei dulkės, kaip greitai dujos virsta žvaigždėmis pirmajame galaktikų kartos etape ir kaip grįžtamoji įtaka (feedback) — iš supernovų ar galimų ankstyvųjų juodųjų skylių veiklos — formavo augimą. Jei dulkės ir metalai buvo paplitę anksčiau nei manyta, tai taip pat veikia fotonų pabėgimo iš galaktikų procesus ir turi pasekmių rejonizacijos tyrimams — rejonizacijos laikotarpiui, kai pirmosios žvaigždės ir galaktikos jonizavo tarpgalaktinę erdvę.
Metodologiškai šis darbas taip pat yra šiuolaikinės daugiabangio astronomijos demonstracija. ALMA geba labai jautriai matuoti submilimetrinį spinduliavimą, o JWST suteikia gilų vaizdą artimojoje infraraudonojoje srityje; kartu jie sudaro galingą porą, leidžiančią aptikti ir apibūdinti sistemas, kurias nė viena observatorija vienatvėje negalėtų pilnai įvertinti. Projektas rėmėsi kruopščiu skirtingų duomenų kryžminimu, fotometrijinių raudonojo poslinkio (photometric redshift) skaičiavimais ir dešiniųjų institucijų ekspertize, gavus parama iš agentūrų, įskaitant JAV Nacionalinį mokslo fondą (NSF).
Be to, atradimas pabrėžia atrankos ir stebėjimo šališkumo svarbą: optinės apžvalgos linkusios aptikti mėlynas, mažiau dulkėtas ir intensyviai spindinčias sistemas, o submilimetrinės kampanijos — tiesiogiai atskleidžia šiluminį dulkinių komponentų spinduliavimą. Bendra analizė padeda sujungti šiuos skirtingus vaizdus ir sukurti nuoseklesnį ankstyvosios Visatos vaizdą.
Ekspertų įžvalgos
"Dulkės, aptiktos taip greitai po Didžiojo sprogimo, rodo, kad pirmoji žvaigždžių formavimo banga buvo tiek intensyvi, tiek efektyvi," sakė dr. Amina Khatri, astrofizikė, specializuojanti galaktikų formavime. "Šios galaktikos yra laboratorijos: jos leidžia mums tirti, kaip buvo pagaminti ir paskirstyti pirmieji sunkieji elementai. Tolimesnės spektroskopinės stebėsenos bus esminės matuojant greičius, mases ir ankstyvųjų žvaigždžių cheminius parašus."
Ateities žingsniai konceptualiai yra aiškūs, bet techniškai reikalaujantys. Spektroskopinis patvirtinimas su ALMA ir JWST bus būtinas, kad būtų tiksliai nustatyti raudonojo poslinkiai ir dulkėtumo savybės: linijų identifikavimas (pvz., [CII] 158 μm, CO perėjimai) leistų tiesiogiai matuoti spinduliavimo mechanizmus, kinetiką ir masę. Platesnio ploto submilimetrinės apžvalgos galėtų nustatyti, ar šios dulkėtos sistemos yra retos anomalijos, ar iš tiesų atstovauja įprastam ankstyvosios Visatos augimo mechanizmui.
Iš mokslinės perspektyvos tokie rezultatai verčia peržiūrėti suskaičiavimus apie žvaigždžių formavimo greitį (star formation rate), cheminį praturtėjimą ir galaktikų masės kaupimąsi pirmaisiais keliais milijardais metų. Modeliai, kurie anksčiau ignoravo tokias populiacijas arba laikė jas itin retomis, turės įtraukti efektyvesnį pradinį metalų gamybos mechanizmą arba alternatyvias dulkėtumo formavimo grandines, pvz., tarpžvaigždinių medžiagų platinimą per vėjo išmetimus ir ankstyvųjų supernovų srautą.
Galiausiai šis atradimas yra priminimas apie instrumentų derinimo galią: tinkamas observatorijų ir bangų ilgių derinys gali padaryti „nematomą“ — matomą, ir atverti naujus langus į Visatos vaikystę.
Aštuoniolika iš neseniai atrastų dulkėtų, žvaigždžių formavimui palankių galaktikų (pažymėtos raudonai) susiformavo beveik prieš 13 milijardų metų.
Vienas atradimas vienas pats nesureformuoja visos Visatos istorijos, tačiau šis tyrimas traukia siūlus, kurie suriša jaunąsias, ryškiausias ir netikėtai senas galaktikas į vientisesnį pasakojimą. Tai priminimas, kad kosmosas vis dar slepia paslaptis, o tinkamai sujungtos priemonės gali paversti anksčiau nematomą — aiškiai matomu.
Techniniu požiūriu būsimi rezultatai turės įtakos ne tik teorinei astrofizikai, bet ir planuojant tolesnes observacijas. Sprendžiant iš šių duomenų, verta investuoti į didelio jautrumo submilimetrinius žemėlapius ir plataus spektro spektroskopiją, kad būtų galima sistemingai įvertinti dulkėtų galaktikų dažnį ir rolę ankstyvojoje Visatos evoliucijoje. Tokie tyrimai išplės mūsų supratimą apie žvaigždžių formavimąsi, cheminę evoliuciją, rejonizacijos eigą ir galaktikų masės kaupimąsi pirmosiomis kosmoso eros savaitėmis ir mėnesiais — ir tikriausiai suteiks naujų duomenų, kurie privers perrašyti kai kurias anksčiau laikytas tiesas.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą