Įsivaizduokite, kad žvelgiate 13 milijardų metų atgal ir randate visai galaktikas, kurios tarsi spindi beveik neįtikėtinu ryškumu. Būtent tai parodė Jameso Webb kosminis teleskopas: gausybė švytinčių galaktikų kosminėje aušroje, pastebėtos gerokai anksčiau ir ryškiau nei prognozavo modeliai. Tačiau ką daryti, jei šie objektai iš tikrųjų nėra ryškesni? Ką, jei šviesa tiesiog randa skaidresnius koridorius, kad pasiektų mus?
Kosminio rūko išskaidrinimas
Nauji tyrimai, atlikti Simons fondo Flatiron instituto ir Teksaso universiteto Dalase grupių, siūlo kitokį paaiškinimą. Vietoj to, kad reikėtų žymiai padidintų žvaigždžių formavimosi greičių, studija rodo, kad intensyvi ultravioletinė spinduliuotė, kurią skleidžia jaunos, masyvios žvaigždės, gali prasiskverbti pro aplinkines dujas ir dulkes ir išmušti jose skyles. Rezultatas: daugiau žvaigždžių šviesos išeina į tarpgalaktinę erdvę ir galiausiai pasiekia mūsų teleskopus.
Pagrindinis veikėjas yra Lyman-alfa spinduliuotė, specifinis ultravioletinis fotonas, susidarantis, kai vandenilio atomai pereina tarp energijos būsenų. Anksčiosios Visatos žvaigždžių lopšiuose ši spinduliuotė yra gausi. Kai Lyman-alfa fotonai trenkia į dujas ar dulkes, jie perduoda impulsą. Iš pirmo žvilgsnio tai atrodo nedaug. Tačiau vandenilis elgiasi neįprastai. Absorbuota Lyman-alfa šviesa beveik iš karto vėl išspinduliuojama tuo pačiu bangos ilgiu, o vėliau ją gali absorbuoti ir vėl išspinduliuoti kaimyniniai atomai. Fotonai sklaidosi. Jų pasikartojantys sąveikos momentai sustiprina jų stūmimą aplinkinei terpei, sukurdami šviesos varomą slėgį, galintį pagreitinti mažos tankio medžiagą į išorę.
Infografikas, paaiškinantis, kaip radiacija išstūmė šviesą blokuojančias dujas ir dulkes. Šaltinis: Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation
Pagalvokite apie tai kaip apie saulės šviesą, bandančią išsklaidyti rūką. Vienas spindulys mažai ką pakeičia. Dabar padauginkite tą spindulį tūkstančiais smulkių atspindžių ir galėsite kiek paslinkti rūką. Tankiuose sankaupose, kur dominuoja trauka, gravitacija laimi. Dujos lieka surištos ir toliau maitina žvaigždžių formavimąsi. Tačiau tarp tų sankaupų esančiuose retesniuose regionuose spinduliuotės slėgis gali dominuoti. Dujos ir dulkės yra išstumtos, kartais dideliu greičiu, iškasant žemą skaidrumo takus, per kuriuos ultravioletiniai ir matomi fotonai gali keliauti.
Šviesos stūmimo modeliavimas
Tiesiogiai simuliuoti šią sąveiką yra sudėtinga. Lyman-alfa fotonų sklaida apima begalę absorbcijos ir pakartotinio išspinduliavimo įvykių, o šią fiziką trimačiuose galaktikos masto modeliuose išspręsti reikalauja milžiniškų skaičiavimo išteklių. Kad pažengtų pirmyn, Shyam Menon iš Flatiron instituto ir Aaron Smith iš UT Dallas pasirinko pragmatinį kelią. Jie išanalizavo momentines dalis iš detalaus ankstyvosios žvaigždžių formavimo srities modelio ir įvertino, kiek impulso Lyman-alfa spinduliuotė perduotų aplinkinėms dujoms realiomis sąlygomis.
Jų skaičiavimai atskleidžia ryškią dichotomiją. Tankios dujų mazgeliai, kur gravitacija stipriausia, lieka daugiausia nepaveikti. Spinduliuotė yra uždaryta, bet negali išstumti medžiagos, maitinančios žvaigždes. Kitose vietose, kur tankis sumažėja, Lyman-alfa slėgis gali sukelti smarkius išsiveržimus. Medžiaga pagreitėja ir yra išvesta, praretindama terpę, kuri kitu atveju sugertų ar sklaidytų žvaigždžių šviesą. Šis praretėjimas padidina ankstyvųjų galaktikų efektyvų skaidrumą.
Pasekmė yra paprasta, bet galinga. Galaktikos, kurias Webb mato kaip ryškias, nebūtinai spinduliuoja dešimt kartų daugiau šviesos; jos gali tiesiog būti geresnės leidžiant šviesai išeiti. Kai teleskopai matuoja šviesumą, jie fiksuoja fotonus, kurie pabėga iš galaktikos. Skaidrūs koridoriai padidina akivaizdžią ryškią be pokyčių žvaigždžių vidinėje galiaje.
Ką tai reiškia kosminei istorijai
Ši idėja liečia kelis vykstančius ginčus. Vienas jų yra reionizacijos laiko juosta, epochas, kai pirmieji šviesūs šaltiniai ionizavo neutralų vandenilį, užpildantį Visatą. Jei Lyman-alfa išskaidrinimas yra paplitęs, ankstyvosios galaktikos galėjo efektyviau skleisti jonizuojančius fotonus nei anksčiau manyta, sukurdamos kanalus ultravioletinei radiacijai prasiskverbti. Tai paveiktų modelius, kaip greitai ir nelygiai vyko reionizacija.
Kita pasekmė susijusi su ankstyvųjų galaktikų demografija. Fotometriniai tyrimai, aptinkantys aukšto raudoninio poslinkio objektus, linkę atrinkti ryškiausius šaltinius. Jei ryškumą gali stipriai nulemti geometrija ir išskaidrinimas, kataloguose gali būti perdaug atstovaujamos sistemos su palankiais stebėjimo linijomis. Mūsų ankstyvosios galaktikų formavimosi apskaita gali būti šališka link tų, kurios neseniai išstūmė mažo tankio dujas ir dulkes.
Yra ir pastabų. Dulkių savybės pirmuosiuose keliuose šimtų milijonų metų laikotarpiuose yra netikros. Judanti dujų terpė kompleksiškai keičia radiacijos perdavimą. Pilni trimačiai radiacijos-hidrodinaminiai modeliai, kurie sujungtų žvaigždes, dujas, dulkes, gravitaciją ir Lyman-alfa sklaidą į vieningą sistemą, išlieka skaičiavimo požiūriu reiklūs. Nemažai pažangos pasiekta patikimais dvimaciais modeliais, tačiau tyrėjai nori pritaikyti tas metodikas trimačiams simuliavimams.
Eksperto įžvalga
"Šis darbas keičia tai, kaip turėtume skaityti šviesą iš ankstyviausių galaktikų," sako dr. Leah Ortega, Arizonos universiteto stebimųjų kosmologė, kuri nedalyvavo tyrime. "Tai priminimas, kad tai, ką aptinkame, formuoja tiek šaltinio fizika, tiek aplink jį esanti terpė. Kai radiacija išsikramto kanalus, ji suteikia mums šališką vaizdą, ir tai privalo būti įtrauktA į Webb duomenų interpretacijas."
"Jei Lyman-alfa slėgis yra toks veiksmingas, kaip rodo šie skaičiavimai, tuomet kai kurie tariami neatitikimai ankstyvųjų ryškių galaktikų skaičiuose gali būti paaiškinti be poreikio griebtis egzotiškos žvaigždžių formavimo fizikos," priduria dr. Ortega. "Vis dėlto tai patikrinti reikės pažangesnių modelių ir naujų stebimųjų bandymų, pavyzdžiui tikslingos spektroskopijos, kuri leistų sekti dujų kinematiką ir sklaidos paraštes."
Išvada
Jameso Webb kosminis teleskopas atvėrė langą į netikėtai švytinčią ankstyvąją Visatą. Nauja Flatiron ir UT Dallas analizė rodo, kad galinga Lyman-alfa radiacija gali išstumti mažo tankio dujas ir dulkes, kuriant skaidresnius pabėgimo kelius žvaigždžių šviesai ir didinant akivaizdų ryškumą. Šis procesas suteikia pagrįstą fizikinį paaiškinimą Webb aptiktų ryškių, tolimų galaktikų gausai ir kelia naujus klausimus apie tai, kaip modeliuojame reionizaciją ir interpretuojame ankstyvosios Visatos tyrimus. Būsimų žingsnių sąraše yra geresni simuliacijos metodai ir stebėjimai, kurie tiria dujų judėjimą ir sklaidą.
Palikti komentarą
Komentarai
Komentarų dar nėra. Būkite pirmas.