На расстоянии миллиардов световых лет от нас существуют гигантские водородные облака, которые производят особый вид излучения, относящегося к ультрафиолетовому, известное как Лайман-альфа, а сами эти облака, испускающие свет, называются каплями Лайман-альфа. “Капли” в несколько раз больше нашего Млечного Пути, но были открыты всего двадцать лет назад. Для создания такого излучения необходим чрезвычайно мощный источник энергии с выходом, эквивалентным миллиардам наших Солнц. Но учёные до сих пор находятся в спорах относительно реального источника этой энергии.
Новое исследование, опубликованное 9 марта в журнале Nature Astronomy, доказывает, что источник такой энергии находится в центре звездообразующих галактик, вокруг которых существуют капли Лайман-альфа.
Проведённое исследование было сосредоточено на пузыре Лайман-альфа 6 (Lyman-alpha blob 6, LAB-6), расположенном на расстоянии более 18 миллиардов световых лет в созвездии Журавль. Команда исследователей обнаружила уникальную особенность LAB-6 – её водородный газ, казалось, падал прямо внутрь галактики. LAB-6 является первой “каплей” с убедительными доказательствами этой, так называемой падающей газовой сигнатуры. Этот газ содержал мало металлических элементов, что наводило на мысль о том, что водород в LAB-6 возник в межгалактической среде, а не в самой звездообразующей галактике.
Количество “падающего” здесь газа слишком мало, чтобы привести в действие наблюдаемое излучение Лайман-альфа. Полученные данные свидетельствуют о том, что центральная галактика является основным источником энергии, ответственным за излучение. Исследователи также ставят новые вопросы о структуре самих пузырей.
“Это даёт нам некую загадку. Мы предполагаем, что вокруг галактик со вспышками звездообразования должен быть газ, попадающий в них, так как галактикам нужен газ для создания звёзд. Но то,что мы наблюдаем, кажется, является единственной каплей Лайман-альфа с падающим газом”, – Чжэн Чжэн, адъюнкт-профессор физики и астрономии Университета Юты и соавтор исследования. Чжэн присоединился к анализу данных и провел теоретическую интерпретацию с аспирантом Шию Не.
Излучение Лайман-альфа имеет длину волны, представленную здесь как линия Лайман-альфа. Когда газ выходит наружу, излучение смещается в более длинную, более красную часть электромагнитной волны. Противоположное происходит при притоке газа – длина волны излучения Лайман-альфа становится короче, смещая его в более голубой спектр. Источник: Zheng Zheng
Для получения данных авторы использовали Очень Большой Телескоп (VLT), расположенный в Европейской Южной Обсерватории (ESO) и большой миллиметровый/субмиллиметровый массив ALMA. Ведущий автор работы Юипин Ао из обсерватории Цзыцзиньшань Китайской академии наук впервые наблюдал систему LAB-6 более десяти лет назад. Он уже тогда знал, что, судя по огромному размеру водородного сгустка, в этой системе есть что-то особенное.
“К счастью, мы смогли получить данные от ALMA, необходимые для того, чтобы зафиксировать молекулярный состав облака, определив скорость движения галактики. Оптический телескоп VLT дал нам важный спектральный профиль излучения Лайман-альфа”.
Свечение водорода раскрывает свои секреты
Вселенная практически наполнена водородом. В атоме водорода электрон вращается вокруг ядра на разных энергетических уровнях. Когда нейтральный атом водорода выплёскивает энергию, электрон может перейти на более высокую орбиту с более высоким энергетическим уровнем. Также электрон может прыгать с одного уровня орбиты на другой, что приводит к образованию фотона. Когда электрон перемещается на самую близкую к ядру орбиту с непосредственно примыкающей к ней, он испускает фотон с определенной длиной волны в ультрафиолетовом спектре, называемой излучением Лайман-альфа. Установлено, что для получения такого излучения требуется мощный источник энергии, способный достаточно зарядить водород.
Авторы обнаружили особенности падающего в галлактику газа, проанализировав кинематику излучения Лайман-альфа. После того, как испускается фотон линии Лайман-альфа, он сталкивается с окружающей средой, заполненной атомами водорода. Он врезается в эти атомы очень много раз, совсем как мяч, прыгающий в автомате для игры в пинбол, и только после этого может вырваться из такой среды. Именно этот выход и заставляет излучение распространяться наружу на большие расстояния.
Всё это хаотичное переотражение изменяет не только направление распространения световой волны, но и её частоту, так как движение газа вызывает эффект Доплера. Когда газ выходит наружу, излучение Лайман-альфа смещается в более длинную, то есть красную часть электромагнитного спектра. Противоположное происходит при обычном притоке газа: длина волны излучения Лайман-альфа становится короче, смещая его в более голубую часть спектра.
Авторы этой статьи использовали наблюдение ALMA для определения ожидаемой длины волны излучения Лайман-альфа от взгляда с Земли, при условии отсутствия эффекта отскока фотонов. С помощью VLT они обнаружили, что излучение Лаймана-альфа от изучаемого газового облака смещается в более длинную часть спектра, подразумеваю простой приток газа. В своей работе специалисты использовали модели для анализа спектральных данных и изучения кинематики водорода.
Коллапсирующий газ сужает поиск источника излучения Лайман-альфа
Пузыри Лайман-альфа связаны с гигантскими галактиками, которые формируют звезды со скоростью от нескольких сотен до нескольких тысяч солнечных масс в год. Гигантские ореолы излучения Лайман-альфа окружают эти галактики, образуя газовые сгустки диаметром в сотни тысяч световых лет, с мощностью, эквивалентной примерно 10 миллиардам солнц. А движение внутри этих газовых сгустков может кое-что рассказать исследователям о состоянии самой галактики.
Движущийся под действием гравитации газ может возникать несколькими различными способами. Это может быть вторая стадия галактического фонтана – когда умирают массивные звёзды, они взрываются и выталкивают газ наружу, который позже возвращается и падает назад. Другой вариант говорит о присутствии холодных потоков – существуют филаменты водорода, расположившиеся между небесными телами, которые могут быть втянуты в центр потенциального гравитационного колодца, создавая коллапсирующую газовую характеристику.
Трехцветное изображение неба вокруг LAB-6. Зелёным цветом показано само излучение капли Лайман-альфа. LAB-6 находится на расстоянии 18,5 миллиарда световых лет от нас, а её протяженность составляет около полумиллиона световых лет. Физический размер области внутри жёлтого квадрата составляет 3,26 миллиона световых лет. Большинство галактик, видимых на этом изображении, являются галактиками переднего плана. Синий цвет: полоса J VLT / Hawk-I при 1,258 мкм; красный цвет: полоса Ks VLT/Hawk-I при 2,146 мкм; зелёный цвет: излучение Лайман-альфа при 0,411 мкм с помощью телескопа имени Виктора Бланко Blanco в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо. Источник: Yiping Ao/VLT/Hawk-I/Blanco
Модель авторов данной работы предполагает, что падающий газ в LAB-6 проходит по последнему сценарию. Они проанализировали форму светового профиля Лайман-альфа, которая показывает очень мало металлической пыли, а в астрономии металлы – это все элементы, которые тяжелее гелия. Звёзды образуют все тяжёлые элементы во вселенной, а когда они взрываются, то создают и металлы, которые распространяются по межгалактическому пространству.
“Если бы газ образовался конкретно в этой галактике, мы бы увидели больше металлов. Но на этот раз металлов было немного. Всё указывает на то, что газ не загрязнен элементами этих процессов звездообразования”.
Кроме того, разработанная модель показывает, что окружающий газ создаёт энергию, эквивалентную двум солнечным массам в год, что слишком мало для наблюдаемого количества излучения Лайман-альфа.
Полученные данные убедительно свидетельствуют о том, что именно галактика со вспышками звездообразования является основным источником излучения Лайман-альфа, в то время как поступающий газ формирует её спектральный профиль. Однако это не даёт полного ответа на поставленный вопрос.
“Возможно, есть и другие источники. Если галактика в центре имеет сверхмассивную чёрную дыру, она может испускать энергетических сильные фотоны, которые могут перемещаться достаточно далеко, чтобы испустить свет”.
В будущих исследованиях авторы хотят разобраться в сложной газовой динамике, чтобы выяснить, почему аккрецирующий газ редко встречается в каплях Лайман-альфа. Например, поступление газа может зависеть от ориентации системы. Они также хотят построить более реалистичные модели, чтобы понять движение фотонов этого излучения, когда они врезаются в атомы.
По информации университета Юты.
Источник: