Сильный ветер унес газ и сделал ранние галактики ярче

Фото из открытых источников

Всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, во время Космического Рассвета, яркие галактики заселили Вселенную в гораздо большем количестве, чем ожидалось. Телескоп JWST показал, что эти галактики образовали очень плотные, компактные скопления звезд. Почему звездообразование было сосредоточено в таких плотных скоплениях, остается загадкой, как и яркость их родительских галактик.

Двое исследователей, возможно, разгадали эту загадку. Их работа называется «Давление излучения Lyα в плотных звездных скоплениях: последствия для звездообразования и звездных ветров на заре космоса» и опубликована в The Astrophysical Journal. Авторами являются Шьям Х. Менон из Центра вычислительной астрофизики Института Флатирон и Аарон Смит из Техасского университета в Далласе. 

Излучение Лаймана -альфа (Lyα), упомянутое в названии статьи, является очень важным фактором в астрофизике. Оно возникает при переходе электрона в атоме водорода из возбужденного состояния в основное. Поскольку водород является самым распространенным элементом во Вселенной, излучение Lyα представляет собой фундаментальный способ исследования самых ранних галактик Вселенной, включая межзвездную среду (МЗС) и межгалактическую среду (МГС).

«Наблюдения с помощью телескопа JWST в линзированных полях показали, что галактики на заре космической эры могут концентрировать звездообразование в очень плотных, компактных звездных скоплениях», — пишут авторы. «Высокие значения столба излучения и низкая металличность, наблюдаемые в средах их зарождения, предполагают, что давление излучения Lyα может иметь решающее значение для их формирования и эволюции».

«Наши результаты показывают, что излучение Лайман-альфа может очень быстро отталкивать газ и пыль низкой плотности, — сказал Менон. — Оно может как бы рассеять „туман“, позволяя нам видеть звезды в ранней Вселенной гораздо четче, чем это было бы возможно в других условиях».

Полезность излучения Lyα в качестве диагностического инструмента также объясняет его мощную способность так быстро отталкивать пыль и газы. Излучение Lyα отличается от других. Обычно, когда атом поглощает энергию, он переизлучает ее на другой длине волны. Но атомы водорода поглощают Lyα, а затем почти мгновенно переизлучают его снова, где оно взаимодействует с другим водородом. Этот цикл поглощения-излучения делает его мощным диагностическим инструментом, а также наделяет Lyα способностью отталкивать водородный газ.

Астрофизики знали об этом, но понять его влияние в больших масштабах было сложно.

«Мы давно знаем, что излучение Лайман-альфа может быть важным, потому что оно обладает большой силой», — говорит Менон. «Но мы никогда не могли оценить его важность в реальных условиях из-за сложности моделирования».

Исследователи пытались включить его в модели, но альфа-канал Лаймана сопротивляется этим попыткам. Некоторые даже не пытались его включить. «Упущение связано с его высокой размерностью и сложностью, а также с изначально высокими вычислительными требованиями для самосогласованного моделирования», — пишут авторы.

Сложность моделирования заключается именно в повторяющемся цикле поглощения и излучения. Но сложность не означает невозможность.

Менон и Смит не пытались это смоделировать. Вместо этого они взяли снимки из существующих симуляций и занялись расчетом силы, необходимой для объяснения этих снимков. «В этом исследовании мы рассматриваем этот вопрос, обрабатывая снимки из радиационно-гидродинамических симуляций плотных облаков, образующих звездные скопления, с различным содержанием пыли, используя код Монте-Карло COLT», — объясняют они. COLT расшифровывается как Cosmic Lyman-alpha Transfer (космический перенос Лаймана-альфа). Соавтор исследования Аарон Смит является первоначальным создателем COLT, и он написал его для «моделирования образования и выхода Lyα из гидродинамических симуляций», согласно веб-сайту COLT.

Короче говоря, они изучили смоделированные снимки областей звездообразования в ранней Вселенной и рассчитали количество линии Lyα, необходимое для объяснения наблюдаемых явлений.

Результаты показали, что излучение Лайман-альфа было недостаточно сильным, чтобы выдуть газ в плотных областях звездообразования, обнаруженных телескопом JWST. Гравитация плотного газа в этих нитях была слишком сильной, чтобы Лайман-альфа смог её преодолеть. Но за пределами этих плотных нитей оно было достаточно мощным, чтобы выдуть более рассеянный газ и пыль.

В своей статье авторы излагают два простых вывода: «Радиационное давление Lyα вряд ли препятствует эффективному звездообразованию» и «Радиационное давление Lyα может приводить к динамически значимым звездным ветрам после насыщения процесса звездообразования».

«Таким образом, наши результаты показывают, что энергия рассеяния, вероятно, останется высокой в плотных звездных скоплениях, образующихся на больших красных расстояниях. С другой стороны, значительная часть газа, заполняющего объем, может быть выброшена под давлением излучения Lyα, что указывает на последствия для видимости света от скопления, утечки ионизирующих фотонов и выброса газов из галактики», — пишут исследователи в своей статье.

Таким образом, когда в этих плотных скоплениях звездообразование зашло достаточно далеко, лучи Лаймана-альфа сделали их видимыми, сдувая остальной газ.

«Когда плотность достаточно низка, излучение Лайман-альфа может разгонять газ до очень высоких скоростей, вызывая взрывные ветры, способные выбрасывать вещество за пределы галактики», — говорит Менон. «Это рассеяло газ, скрывавший плотные скопления, сделав их видимыми».