Kaip supernovės vėjai užstojo jonizuojančią spinduliuotę

Įsivaizduokite visatą, apgaubtą tokio tiršto rūko, kad pirmieji žvaigždžių spinduliai negalėjo nueiti toli. Maždaug prieš 13 milijardų metų šis rūkas išsisklaidė procese, kurį astronomai vadina reionizacija: energingi fotonai atplėšė elektronus nuo vandenilio atomų ir pakeitė kosmosą iš nepralaidaus į daugeliu atvejų skaidrų. Nauji Hubble stebėjimai dabar kelia abejonių dėl paprastos, ilgai vyraujančios versijos apie tai, kaip tie fotonai ištrūko iš savo gimtųjų galaktikų.

Ši iliustracija rodo masyvias žvaigždes, skleidžiančias jonizuojančią spinduliuotę, tačiau dujos, nupūstos supernovių sukeltų galaktinių vėjų, gali neleisti šiai spinduliuotei išeiti iš galaktikos. 

Kai tikėtasis išvalantis vėjas virsta uždanga

Keletą metų teorijos remdavosi paprasta schema: masyvios žvaigždės sprogsta kaip supernovės, jų sprogimai stumia greitus galaktinius vėjus, o šie vėjai pramuša skyles galaktikos dujose. Per šias angas ultravioletiniai fotonai tada išsisklaido ir jonizuoja tarpgalaktinę terpę. Elegantiška. Įtikinama. Tačiau Cody Carr vadovaujami stebėjimai, atlikti anksčiau Žedziango universitete dirbusio, o dabar Mičigano universiteto atstovo, rodo, kad realybė yra netvarkingesnė.

Naudodami Hubble kosminį teleskopą tyrimams apie artimas žvaigždžių sprogimo galaktikas — kompaktiškas sistemas, kurios gamina žvaigždes labai intensyviu greičiu ir primena ankstyvąsias galaktikas — mokslininkai išmatuoti, kiek jonizuojančios spinduliuotės išeina ir kokiu greičiu juda dujos išsiskiriančiuose srautiniuose vėjuose. Tai atlikta išskaidant galaktikų šviesą į spektrus ir perskaitant judančių dujų paliktus pirštų atspaudus: absorbcijos duobutės pasislenka ir išsiplečia priklausomai nuo greičio ir turbulencijos.

Netikėta tendencija yra aiški. Galaktikos su greičiausiais, energingiausiais vėjais dažniau leidžia ištrūkti mažiausią dalį jonizuojančių fotonų. Greitesni vėjai, mažiau pratekėjusios šviesos. Tai prieštarauja idėjai, kad supernovių sukeltos ištraukos pirmiausia veikia kaip evakuacijos priemonės, išvalančios kelius spinduliuotei.

„Energija iš sprogstančių žvaigždžių, atrodo, maišo ir perskirsto dujas bei dulkes taip, kad padidėja nepermatomo materijos uždengimas,“ sako Stephan McCandliss iš Džonso Hopkinso universiteto, vienas pagrindinių tyrimo autorių. Ši prielaida yra aiški: supernovių vėjai gali sutirštinti uždangą, o ne ją pramušti.

Jaunos žvaigždės, smulkesnio masto vėjai ir kita išeities strategija

Jeigu supernovės nėra pagrindiniai pabėgimo meistrai, tai kas tada yra? Duomenys rodo labiau lokalų, ankstesnį mechanizmą. Spinduliuotės slėgis ir santykinai silpni vėjai iš naujai susiformavusių masyvių žvaigždžių išgraužia kanalus mažesniu mastu jų artimiausiose aplinkose. Šie kanalai susiformuoja prieš pirmąsias supernoves. Kitaip tariant, fotonai gali išslysti anksti, keliaudami kanalais, kuriuos sukūrė žvaigždinė spinduliuotė ir švelnesni ištekančiai srautai, o ne vėlesnė, smarkesnė supernovių grįžtamoji reakcija.

Tokia išvada yra svarbi ne tik dėl teorijų švarumo. Koso reionizacijos simuliacijos labai priklauso nuo prielaidų apie tai, kaip žvaigždžių ir supernovių grįžtamasis ryšys formuoja galaktikų dujas. Jeigu supernovės iš tiesų padidina neutralios dujinės materijos ir dulkių uždengimą, modeliai turi peržiūrėti grįžtamojo ryšio procesų laiką ir pusiausvyrą. Renyue Cen iš Žedziango universiteto, kitas pagrindinis autorius, pažymi, kad šie atradimai spaudžia modeliuotojus išnagrinėti, kaip spinduliuotė ir ankstyvieji žvaigždžių vėjai pertvarko dujas prieš pasirodant supernovėms.

Tyrimas publikuotas žurnale Nature Astronomy ir derina kruopščią spektroskopiją su strategišku artimųjų analogų senosioms galaktikoms pasirinkimu. Stebint vietines žvaigždžių sprogimo galaktikas, astronomai turi laboratoriją, kur gali išmatuoti procesus detaliai ir tada pritaikyti tas pamokas tolimojoje Visatoje, kur tiesioginiai stebėjimai yra daug sudėtingesni.

Ekspertų įžvalga

„Mane nustebino, kaip aiškiai duomenys rodo priešingai nei paprasta supernovių išvalymo schema,“ sako dr. Lena Ortiz, Kembridžo universiteto astrofizikė, kuri nedalyvavo tyrime. „Tai rodo, kad laikas yra esminis. Pirmieji žvaigždžių gyvenimo etapai sukuria sceną fotonų išeigai, o vėlesnis, triukšmingesnis supernovių laikotarpis gali iš tiesų užkasti tuos ankstyvus angas po nupūstomis dujomis ir dulkėmis.“

Ortiz priduria, kad rezultatas tikriausiai pakeis žmonių požiūrį, kaip nustatyti grįžtamojo ryšio aprašymus didelio masto kosmologinėse simuliacijose. „Reikės atskirti mažesnius mastelius aplink jaunus žvaigždžių klasterius, kad pamatytume, ar modeliai gali atkartoti šį ankstyvą jonizuojančių fotonų nutekėjimą,“ sako ji.

Ką tai reiškia kosminei istorijai ir būsimiems stebėjimams

Pagrindinė išvada yra santūri, bet reikšminga. Vis dar neturime pilnos apskaitos objektų, kurie reionizavo Visatą, arba tikslaus laiko grafiko, kaip vyko reionizacija. Tačiau šie Hubble matavimai pateikia konkretų apribojimą: supernovių sukelti vėjai ne visuomet užtikrina didesnius jonizuojančios spinduliuotės išeigos koeficientus, o kai kuriais atvejais yra priešingai.

Tyrimų grupė ketina prašyti papildomo Hubble laiko, kad išplėstų vietinių žvaigždžių sprogimo galaktikų imtį ir tiksliau pamatuotų vėjų greitį bei išeigos dalį. Tuo tarpu naujos kartos observatorijos, galinčios tiesiogiai tyrinėti blankesnes ankstyvosios Visatos galaktikas, patikrins, ar vietiniai analogai iš tikrųjų atspindi aukšto raudonio poslinkio sąlygas.

Hubble išlieka šio darbo centre. Teleskopas, NASA misija su Europos kosmoso agentūros indėliu ir remiama dotacijomis, administruojamomis Kosminių teleskopų mokslo institutu, vis dar suteikia ultravioletinį jautrumą ir spektrinį detalumą, reikalingą jonizuojančių fotonų išeigos stebėsenai vietinėje Visatoje.

Išvada

Kosminis rūkas išties išsisklaidė, bet šio išsivalymo mechanika yra niuansuotesnė nei manyta anksčiau. Uždelius versdami supernovių stumiami vėjai ne tiek išplečiamai kaip grubios jėgos, kiek maršrutai, leidę jonizuojantiems fotonams palikti savo gimtąsias vietas, galėjo būti suformuoti anksčiau — jaunų žvaigždžių ir švelnesnių ištekėjimo srautų dėka. Ši subtili perspektyvos kaita yra svarbi tiek stebėjimams, tiek simuliacijoms, kai astronomai dėlioja pirmųjų milijardo metų kosminės istorijos mozaiką.