Коли космічний телескоп Джеймса Вебба почав діставати зображення перших сотень мільйонів років існування Всесвіту, астрономи очікували побачити переважно тьмяні, невеликі галактики. Натомість виявилося, що яскравих об’єктів значно більше, ніж передбачали моделі раннього Всесвіту.
Нове дослідження, про яке розповідає Scienmag, пропонує можливе пояснення: потужне ультрафіолетове світло від скупчень молодих зір працює як «космічний листодув», змітаючи газ і пил, що блокують світло, й дозволяючи зорям сяяти набагато виразніше.
Лайман-α як двигун космічного “листодува”
Команда на чолі з Ш’ямом Меноном (Shyam Menon) з Центру обчислювальної астрофізики Флетайронівського інституту у Нью-Йорку та Аароном Смітом (Aaron Smith) з Техаського університету в Далласі показала, що особливий тип ультрафіолетового випромінювання — Лайман-α — може виштовхувати розріджений газ і пил від зір на дуже великі швидкості. Так утворюються вибухоподібні вітри, які в змозі повністю викидати матеріал за межі галактики.
За словами дослідників, Лайман-α випромінювання ніби «розчищає туман», завдяки чому ми бачимо зорі в ранньому Всесвіті значно чіткіше, ніж очікували моделі.
Лайман-α займає особливе місце в астрофізиці. Воно виникає, коли електрон стикається з атомом водню або приєднується до іона водню. У насичених молодими зорями регіонах, де цього випромінювання багато, тиск світла може суттєво впливати на структуру зоряних «ясел» — щільних хмар газу, де народжуються нові зорі.
Коли Лайман-α фотон потрапляє в газовий атом чи пилову частинку, речовина поглинає енергію та відскакує, немов рукавиця ловця бейсбольного м’яча. Цей «рикошет» штовхає матеріал назовні та частково забирає сировину, з якої могли б утворюватися нові зорі. Деякі астрономи навіть припускали, що у крайніх випадках такий процес може майже зупинити формування зір.
Чому саме Лайман-α настільки потужне
Особлива сила Лайман-α випромінювання пов’язана з тим, як воно взаємодіє з речовиною. Зазвичай, коли атом або пилова пилинка поглинає світло, вона випромінює енергію знову, але вже на іншій довжині хвилі. Так світло стає менш імовірним до повторного поглинання.
Водень веде себе інакше. Поглинувши Лайман-α фотон, атом водню майже одразу випромінює його знову на тій самій довжині хвилі. Отже, сусідні атоми водню можуть поглинати той самий фотон багато разів, доки він зрештою не втече. Це багаторазове поглинання і повторне випромінювання перетворює Лайман-α на дуже ефективне джерело радіаційного тиску — але й робить явище надзвичайно складним для моделювання, адже кожну взаємодію доводиться відстежувати окремо.
Менон зазначає, що давно було зрозуміло: Лайман-α може переносити велику силу. Але оцінити, наскільки воно важливе в реалістичних умовах, виявилося важко саме через обчислювальну складність моделювання.
Обхідний шлях у моделюванні ранніх галактик
Щоб подолати цю перешкоду, Менон і Сміт використали інший підхід. Замість того, щоб прямо моделювати нескінченне «рециркулювання» Лайман-α фотонів, вони взяли вже наявну симуляцію зоряної області раннього Всесвіту й проаналізували її «кадри» — миттєві стани газу та пилу.
На основі цих знімків команда розрахувала, яку силу мав би радіаційний тиск Лайман-α на газ і пил у кожній точці. Так вдалося оцінити вплив випромінювання в реалістичному середовищі, не відстежуючи кожен фотон окремо.
Результати виявили різкий контраст між двома типами регіонів. У щільних ділянках галактики сила тяжіння переважала, і тиск Лайман-α не міг «відірвати» газ і пил від зоряних ясел. Там випромінювання майже не змінювало процесу формування зір.
Натомість у проміжках між зорями, де газ значно розріджений, а гравітація слабша, Лайман-α вигравало цю «перетягування каната». Газ і пил розганялися до високих швидкостей, утворюючи вибухові вітри, здатні викидати матеріал далеко за межі галактики.
Як світлові вітри роблять галактики яскравішими
Саме ці вітри можуть бути ключем до загадкової яскравості ранніх галактик, яку фіксує телескоп Вебба. Якщо Лайман-α тиск виштовхує розріджений газ і пил із проміжків між зорями, він звільняє лінію зору між далекими зорями та Землею.
Чим менше речовини на шляху світла, тим менше його поглинається або розсіюється дорогою до телескопа, і галактика виглядає яскравішою. Виходить, що молоді галактики раннього Всесвіту могли й не випромінювати світло в «надзвичайних» кількостях — вони просто «змітали туман», який зазвичай затемнював би їхнє сяйво.
Що ще лишається незрозумілим
Автори підкреслюють, що їхні результати — лише перший крок до повного розуміння ролі Лайман-α випромінювання. Потрібно краще з’ясувати властивості пилу в ранньому Всесвіті та створити моделі, де тиск Лайман-α, рух газу й утворення зір враховуються одночасно і погоджено.
Нещодавні роботи Олафа Небріна (Olof Nebrin) зі Стокгольмського університету та Аарона Сміта показали, що подібні ефекти вже вдається моделювати у двовимірному просторі. Дослідники сподіваються, що з розвитком обчислювальної техніки та алгоритмів стане можливим і повноцінне тривимірне моделювання.
Поки що ж “космічний листодув” у вигляді світлових вітрів, прискорених Лайман-α випромінюванням, залишається переконуваним кандидатом на пояснення того, чому перші яскраві галактики так помітно сяють на знімках телескопа Вебба.