7 Minutės
Naujas tamsiosios materijos žemėlapis iš tolimų žvaigždėdaros galaktikų
Rutgerso universiteto mokslininkai atsekė aiškias didelio masto formas — aprašomas kaip „pirštų atspaudai“ — tamsiosios materijos išsidėstymo schemoje, žemėlapiu parodydami tūkstančių tolimų, jaunų galaktikų, žinomų kaip Lyman‑alfa emisijos galaktikos, spiečiavimą. Šio darbo rezultatai, publikuoti žurnale Astrophysical Journal Letters, panaudoja didžiausią iki šiol tokių liniją skleidžiančių galaktikų imtį, siekiant susieti galaktikų formavimąsi su nematoma tamsiosios materijos skeleto struktūra, formuojančia kosmosą.
Matuodami, kur erdvėje ir kuriuose kosminiuose epochose Lyman‑alfa emisijos galaktikos (LAE) yra sutelktos, tyrėjų grupė rekonstruodama identifikavo sritis, kur tamsioji materija yra tankiausia, ir kur ateityje greičiausiai susiformuos papildomos galaktikos. Šis statistinis žemėlapis pateikia naujas kiekybines ribas tamsiosios materijos halams, supantiems šias galaktikas, ir nurodo, kiek ilgai išlieka šviesi Lyman‑alfa fazė jų evoliucijoje. Tai suteikia svarbių įžvalgų apie ankstyvųjų galaktikų dinamiką, dujų srautus ir žvaigždžių formavimosi epizodiškumą.
Mokslinis fonas: Lyman‑alfa emisijos galaktikos ir tamsiosios materijos halai
Lyman‑alfa emisijos galaktikos (LAE) — tai objektai, pasižymintys stipria vandenilio Lyman‑alfa linijos ultravioletine emisija. Ši emisija yra ypač ryški, kai galaktikos yra jaunos ir intensyviai formuoja žvaigždes arba kai aplink galaktikas esantis neutralus vandenilis yra apšviestas. Kadangi Lyman‑alfa linija yra ryški ir siaura spektre, LAE galima efektyviai atrinkti dideliais kosminiais atstumais naudojant siaurojo lauko filtrus, todėl jos yra naudingos kaip ankstyvos Visatos struktūros žymekliai.
Tamsioji materija pati nešvyti, tačiau jos gravitacija formuoja potencialo duobes, kuriose kondensuojasi dujos ir kaupiasi materija — tai suteikia galimybes galaktikoms augti ir jungtis. Stebėjimų bazei astronomai tamsiąją materiją numato pagal tai, kaip galaktikos grupuojasi: stipresnis spiečiavimasis paprastai reiškia masyvesnius tamsiosios materijos halus. Rutgerso grupė išnaudojo šį ryšį, kad įvertintų tipiškas halų mases, talpinančias LAE, ir vizualizuotų tų halų sukauptas tamsiosios materijos perteklius, kuriose LAE dažniausiai gyvena.
Apklausa, duomenų rinkiniai ir metodika
Projektas rėmėsi giliomis siaurojo filtro nuotraukomis iš ODIN (One‑hundred‑square‑degree DECam Imaging in Narrowbands) apklausos. ODIN yra sukurtas aptikti dideles Lyman‑alfa emisijos galaktikų imtis per plačius dangaus plotus, naudojant siaurojo pločio filtrus, kurie izoliuoja Lyman‑alfa liniją konkrečiuose raudonio (redshift) intervaluose. Rutgerso tyrėjų komanda susitelkė į COSMOS Deep Field — vieną intensyviausiai stebimų dangaus sričių — kuri leidžia patikimai pašalinti priekinio plano kontaminantus ir patikrinti atrankas naudodama daugiabangę informaciją (nuo ultravioletinių iki radijo stebėjimų).
Schema, kurioje nubrėžtos naktinio dangaus sritys su kontūrinių linijų žymėjimu, panašiai kaip žemėlapio reljefo aukštuminės linijos, atskleidžia tamsiosios materijos „pirštų atspaudus“. Kreditas: Eric Gawiser, Dani Herrera/Rutgers University
Tyrimas apėmė tris kosminio laiko momentus: apytiksliai praėjus 2,8, 2,1 ir 1,4 milijardo metų po Didžiojo sprogimo. Kiekvienam epochui komanda apskaičiavo kampinę koreliacijos funkciją — tai standartinis statistinis įrankis, skaičiuojantis galaktikų poras danguje palyginti su atsitiktiniu išdėstymu — siekiant kiekybiškai išmatuoti spiečiavimo stiprumą. Iš šių matavimų mokslininkai išvedė vadinamąjį kliūties koeficientą („bias“) ir tipiškas tų LAE supančių tamsiosios materijos halų mases.
Pagrindiniai atradimai ir jų reikšmė
Tyrimas išryškino du pagrindinius rezultatus, turinčius svarbių pasekmių galaktikų evoliucijos ir kosminio tinklo (cosmic web) supratimui:
- „Tamsiosios materijos pirštų atspaudai“. Spiečiavimo žemėlapiai atskleidžia kontūrines struktūras, kur tamsioji materija yra sutelkta. Panašiai kaip reljefo kontūrai žemėlapyje, šios linijos parodo vienarangių sritis — perteklius arba overdensities — kurios veiksmingai nulemia, kur formuojasi galaktikos ir kur daugėja galaktikų susijungimų bei dinaminių sąveikų.
- Trumpa ryški fasė. Tik apie 3–7 % tankių tamsiosios materijos regionų, galinčių talpinti galaktikas, iš tiesų turi stebimų Lyman‑alfa emisijos galaktikų tuo metu, kai vyko stebėjimai. Toks mažas užimtumo procentas rodo, kad Lyman‑alfa šviesi fazė yra trumpalaikė — trunkanti dešimtis ar šimtus milijonų metų — palyginti su halų gyvavimo trukme. Kitaip tariant, LAE atspindi trumpalaikį, bet informatyvų etapą galaktikų formavimosi istorijoje.
Pasak Eric Gawiserio, Rutgerso Fizinės ir astronomijos katedros garbės profesoriaus ir straipsnio bendraautorio, halų masės, kurias rodo spiečiavimo rezultatai, dera su paveikslu, kuriame daug LAE laikui bėgant gali evoliucionuoti į šiandienines panašias į Paukščių Taką (Milky Way) galaktikas. Doktorantūros atlikėjas Dani Herrera, vadovavęs šiam tyrimui, pabrėžė, kad tamsiosios materijos tankiausios sritys leidžia atkurti galaktikų auginimosi ir susijungimų seką, kuri yra varoma gravitacijos bei dujų dinamikos.
Technikos, lemiantys sėkmę
Šio analizės sėkmės pagrindas — trys techniniai privalumai: labai didelė LAE imtis, surinkta naudojant siaurojo filtro vaizdus; COSMOS lauko gilus daugiabangis stebėjimų aprėptis, leidžianti patvirtinti atrankas ir pašalinti trikdžių šaltinius; bei patikimos klasterizacijos statistikos (kampinės koreliacijos funkcijos), kurios verčia galaktikų poreikių skaičiavimus į halų masių įverčius. Tai kartu leidžia ne tik aptikti bendras tendencijas, bet ir pradėti tirti priklausomybę nuo parametru — tokių kaip galaktikų šviesumas, aplinkos tankis ar raudonis (redshift) — kai imtis auga.
Kaip ODIN toliau plečia savo stebėjimų plotą, imtis spartės, o tai leis suskirstyti LAE pagal papildomus požymius: pvz., liuminiscencijos diapazonu, aplinkos parametrus ar spektrinėmis savybėmis. Platesnės ir giluminės imtys leis analizuoti halo užimtumo modelius (halo occupation distribution, HOD) tiksliau ir nustatyti, ar LAE dažniau atsiranda specifinėse kosminėse aplinkose, pavyzdžiui, šalia masyvių protogalaktikų, ar atviresnėse plikose srityse.
Eksperto įžvalgos
„Tokie rezultatai parodo, kaip statistiniai menkų objektų žemėlapiai gali apšviesti nematomą Visatos skeletą,“ sako dr. Lena Ortiz — hipotetinė, bet reprezentatyvi astrofizikė, tyrinėjanti galaktikų formavimąsi. „Lyman‑alfa emisijos trumpalaikio ciklo nustatymas suteikia žinių apie epizodišką žvaigždžių formavimąsi ir dujų judėjimus ankstyvose galaktikose — tai esminis elementas modeliuose, siejančiuose pradines žvaigždžių sprogimų fazes su brandžiomis galaktikomis, panašiomis į Paukščių Taką.“
„Tokio pločio ir vienodumo apklausa yra būtent tai, ko reikia, norint susieti tamsiosios materijos halų augimo modelius su stebėjimo imtimis, fiksuojančiomis augančias galaktikas,“ priduria Ortiz. Ši kompromisų tarp dydžio ir gylio strategija leidžia vienu metu gauti statistinę galią ir detalų vietovių aprašymą.
Ateities perspektyvos
Kaip ODIN ir papildomos apklausos sukaups daugiau siaurojo filtro laukų, astronomai galės tiksliau nustatyti halų užimtumo frakcijas visos kosminės istorijos bėgyje ir patikrinti, kaip aplinka veikia galaktikų savybes, pvz., žvaigždžių formavimosi greičius, dujų kiekį ar susijungimų dažnį. Derinant šiuos žemėlapius su spektroskopiniu tęstinumų stebėjimu bei aukštos raiškos kosmologinėmis simuliacijomis, bus galima griežčiau apriboti tamsiosios materijos halų formavimo istoriją ir paaiškinti mechanizmus, paverčiančius dujas žvaigždėmis.
Tolesni žingsniai apima: platesnius ODIN laukus, kurie suteiks didesnę statistinę galią; gilesnius spektrinius patikrinimus, leidžiančius užtikrinti, kad atrinktos LAE nėra kontaminuotos kitų linijų emitentais; ir didesnės skiriamosios galios kosmologines simuliacijas, kurios padės susieti stebimus kontūrus su konkrečiomis halų susiliejimo ir augimo istorijomis. Be to, krintančios naujos kartos observatorijos (tiek žemėje, tiek kosmose) suteiks papildomus bangų ilgius ir raišką, būtinas atskleidžiant LAE vidinę morfologiją bei aplinkos įtaką.
Išvados
Naudodami Lyman‑alfa emisijos galaktikas kaip žibintus, Rutgerso vadovaujama komanda sukūrė vieną iš persuomiausių empirinį vaizdų iki šiol, kuris rodo, kur jaunajame Visatos etape koncentravosi tamsioji materija. Jų kontūrinio stiliaus žemėlapiai ir spiečiavimo matavimai atskleidžia trumpalaikę, tačiau esminę fazę galaktikų evoliucijoje ir suteikia stebimųjų atramų (observational anchors) kosminio tinklo bei halų augimo modeliams. Su didesnėmis ODIN imtimis ir ateities kartos instrumentais panašūs tyrimai dar labiau išaiškins, kaip nematoma tamsiosios materijos skeleto struktūra formavo ir formuoja galaktikas, kurias stebime šiandien.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą