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.

Свет от атомов водорода ранней Вселенной озадачивал астрономов много лет. И вот теперь ученые обнаружили сливающиеся галактики, изучение которых позволило понять, как он добирается до нас. Изображение сталкивающихся галактик Ранней Вселенной, полученно с помощью орбитальной инфракрасной обсерваторий James Webb Space Telescope (JWST)

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.

На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной

"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".

a,b, Временная эволюция моделируемой системы слияния при z = 8.1 (крупный и средний планы) (a), 7.3 и 6.1 (b). a, Карты плотности H I (синий), плотности H II (серо-черный), интенсивности NIRCam F150W (желто-белый), плотности энергии излучения LyC (фиолетовый) и плотности энергии ионизирующего излучения He II (оранжевый). b, собственный поток Lyα в RASCAS (синий) и рассеянный поток Lyα (оранжевый). 

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.