Сливающиеся галактики помогли объяснить таинственное излучение ранней Вселенной

Используя орбитальную инфракрасную, обсерватория James Webb Space Telescope (JWST), ученые обнаружили тусклые сливающиеся галактики, что может объяснить таинственный всплеск энергии в ранней Вселенной.

В течение довольно продолжительного периода эволюции Вселенной, завершившегося примерно спустя 1 миллиард лет после Большого взрыва, космос был заполнен горячим мутным первичным газом, который должен был блокировать обильное излучение, испускаемое атомами водорода. Однако исследователи увидели "мерцание" водорода, исходящее от множества галактик в ранней Вселенной. Этот тип света известен как излучение Лайман-альфа.

Вопрос о том, как этому излучению удается вырваться из газовой пелены, давно не дает астрономам покоя. Однако недавно астрофизик Каллум Виттен из Кембриджского университета и его коллеги нашли потенциальное решение этой проблемы. С помощью телескопа JWST они изучили изображения девяти далеких галактик, испускающих излучение Лайман-альфа, и обнаружили, что рядом с каждой из них находится как минимум еще одна галактика меньшего размера. Оказалось, что все "второстепенные" галактики были слишком тусклыми, чтобы их можно было заметить с помощью телескопов более раннего поколения, и судя по всему, все они сливались со своими более яркими партнерами.

Сталкивающиеся галактики порождают вспышки звездообразования и света, включая эмиссию Лайман-альфа. В результате таких процессов возникают мощные космические ветра, способные "сдувать" галактический газ, позволяя свету вырваться наружу. Ученые предположили, что энергия космического ветра и вспышек звездообразования вырывает электроны из атомов газа, делая его прозрачным, поскольку в противном случае он бы поглотил свет.

"Мы понимали, что можем не заметить более тусклые галактики, но не знали, что их будет так много и так близко к этим более ярким галактикам", - рассказывает Виттен. "Мы и представить себе не могли, что они способствуют выбросу этого излучения наружу".

Чтобы проверить свою гипотезу астрофизики провели компьютерное моделирование. Эксперты обнаружили, что в процессе слияния галактик в газе действительно образовывались странные каналы, позволяя эмиссии водорода просачиваться наружу в таком количестве, что JWST смог ее зарегистрировать.

"Раньше наше представление об этих очень ранних галактиках было несколько предвзятым, и оно не учитывало хаотический процесс их взаимодействия", - поясняет Виттен. "Эмиссия водорода - которая, как мы думали все это время, не должна была существовать - объяснила это".

"Есть и другие не менее интересные объяснения, например, турбулентность от сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Но, судя по всему, наиболее важную роль в этом вопросе играют именно галактические слияния", - утверждает ученый. "Однако, поскольку мы наблюдали всего за девятью галактиками, мы не можем с уверенностью утверждать, что это единственно верный ответ".

Авторы этого эксперимента ожидают появления в открытом доступе новых данных JWST об источниках излучения Лайман-альфа, а пока они наблюдают за другими сталкивающимися галактиками, чтобы более точно понять этот процесс. Для того чтобы доказать правильность этой гипотезы, необходимо посмотреть, как она будет работать, после того как в ближайшие годы мы обнаружим десятки, а возможно, и сотни новых галактик", - делится впечатлениями Ааюш Саксена из университета в Оксфорде, не принимавший участия в этом исследовании. "Если мы и дальше будем находить объединяющиеся галактики, то на одну загадку устройства нашей Вселенной станет меньше".

Аннотация к научной статье

В эпоху реионизации первые галактики были окутаны первозданным нейтральным газом. Предполагалось, что одна из самых ярких эмиссионных линий в звездообразующих галактиках, Лайман α (Lyα), так и останется незамеченной до тех пор, пока Вселенная не ионизируется. Поиск объяснений необычного открытия Lyα в первых галактиках представляет серьезную проблему для изучения внегалактических явлений.

Недавние наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба вновь оживили дебаты о том, является ли пребывание в сверхплотной галактике достаточным и необходимым условием для выброса Lyα. В данном проекте ученые воспользовались преимуществом изображений высокого разрешения и высокой чувствительности камеры ближнего инфракрасного диапазона космического телескопа Джеймса Уэбба. Авторы доказали, что все галактики в выборке источников излучения Lyα с красным смещением >7 имеют близких компаньонов.

Используя метод магнитогидродинамического моделирования с обратной связью по космическим лучам, астрофизики показали, что сливающиеся галактики нередко демонстрируют очень бурную историю звездообразования, что приводит к эпизодам высокой собственной активности излучения Lyα и способствует выходу фотонов Lyα по каналам, очищенным от нейтрального газа. Эксперты пришли к выводу, что быстрое накопление звездной массы в результате галактических слияний является убедительным доказательством давней загадки наблюдения эмиссии Lyα эпохи реионизации.