Jak słabe galaktyki rozświetliły wczesny Kosmos?

Trójwymiarowa przestrzeń symulacji, ukazująca wielkoskalową strukturę gazu oraz jego rozkład w formie zagęszczeń i filamentów. Czerwone obszary są rozświetlone i rozgrzane przez promieniowanie UV pochodzące z jasnych (tutaj: białych) galaktyk. Galaktyki te są ponad tysiąc razy mniej masywne niż Droga Mleczna i dały niemal jedną trzecią ogólnego wkładu w promieniowanie ultrafioletowe podczas epoki rejonizacji. Rozmiar tego pola to 400 000 lat świetlnych. Wszechświat liczył sobie wówczas jedynie 700 milionów lat.

Źródło: John Wise

Symulacje zdają się dowodzić, że galaktyki karłowate były niegdyś tak obfite, że wniosły bardzo duży wkład w promieniowanie ultrafioletowe biorące udział w procesie rejonizacji. Astronomowie badający Wszechświat z epoki tuż po Wielkim Wybuchu dokonali zaskakującego odkrycia: to najmniejsze z galaktyk zdeterminowały właściwości wczesnego Kosmosu.

Wkrótce po Wielkim Wybuchu Wszechświat był zjonizowany: zwykła materia składała się z wodoru z dodatnio naładowanymi protonami, ale bez ujemnie naładowanych elektronów. Po pewnym czasie Wszechświat ochłodził się wystarczająco, by wolne elektrony mogły się połączyć z tymi protonami, dając znany nam dziś neutralny wodór. Ten chłodny gaz później zaczął budować pierwsze gwiazdy we Wszechświecie, ale wcześniej, przez miliony lat, nie było żadnych gwiazd. Astronomowie nie mogą więc zobaczyć, jak wyglądał Kosmos podczas tej epoki "Ciemnych Wieków" – przynajmniej nie przy pomocy konwencjonalnych teleskopów. Światło pojawiło się znów dopiero wówczas, gdy gwiazdy i galaktyki same zaczęły promieniować w epoce rejonizacji.

Astronomowie zgadzają się co do tego, że Wszechświat został całkowicie zjonizowany około miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Mniej więcej 200 milionów lat po jego narodzinach promieniowanie ultrafioletowe gwiazd zaczęło znów dzielić neutralny wodór na elektrony i protony. Minęło kolejne 800 milionów lat, nim ten proces zakończył się wszędzie. Epoka rejonizacji wyraźnie definiuje też ostatnią ważną zmianę w materii gazowej Wszechświata, która pozostaje zjonizowana do dziś - ponad 12 miliardów lat później.

Jednak astronomowie nie są już tak zgodni co do tego, który typ galaktyk odegrał najważniejszą rolę w tym procesie. Większość z nich skupiała się dotychczas na dużych galaktykach. Nowe badania przeprowadzone przez naukowców z Georgia Institute of Technology i Supercomputer Center w San Diego sugerują, że naukowcy powinni również jednak zainteresować się tymi najmniejszymi.

Badacze użyli symulacji komputerowych, by wykazać, że te najmniejsze galaktyki były we wczesnym Wszechświecie niezbędne. Karłowate galaktyki, średnio 1000 razy mniej masywne i o średnicy 30 razy mniejszej od naszej Drogi Mlecznej, przyczyniły się do emisji prawie 30 procent promieniowania ultrafioletowego podczas tego procesu. Inne badania często ignorują te małe galaktyki, ponieważ nie uważano ich za potencjalnie gwiazdotwórcze – jako że światło UV pobliskich większych galaktyk było zbyt silne i mogło tłumić swych malutkich sąsiadów. Okazuje się jednak, że te karłowate galaktyki formowały gwiazdy, zazwyczaj w jednej „serii”, która mogła mieć miejsce około 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu. I choć małe, były tak obfite, że przyczyniły się znacznie do emisji promieniowania ultrafioletowego.

W symulacjach modelowano przepływ gwiezdnego promieniowania ultrafioletowego przez gaz w formujących się galaktykach. Okazało się, że odsetek fotonów jonizujących, jakie mogły uciekać w przestrzeń międzygalaktyczną, wynosił około 50 procent dla małych galaktyk. Wynosił jednocześnie tylko 5 procent w większych galaktykach. Ta podwyższona frakcja w połączeniu z dużą liczebnością galaktyk karłowatych jest powodem, dla którego najsłabsze z galaktyk odegrały tak ważną rolę podczas rejonizacji.

Światłu ultrafioletowemu bardzo trudno jest uciec z galaktyki z powodu gęstego gazu, który ją wypełnia. Jednak w najmniejszych galaktykach znajduje się dużo mniej gazu pomiędzy gwiazdami, co znacznie ułatwia ucieczkę promieniowaniu UV, ponieważ nie jest ono tam szybko pochłaniane przez materię. Co więcej, wybuchy supernowych mogą otworzyć dla tego światła dodatkowe „kanały ucieczki” - dużo efektywniej w przypadku malutkich galaktyk.

"T
o, że małe galaktyki mogły przyczynić się tak znacznie do rejonizacji, jest prawdziwą niespodzianką" – twierdzi Michael Norman z University of California w San Diego. "Po raz kolejny superkomputer uczy nas czegoś nowego i nieoczekiwanego, czegoś, co będzie musiało zostać uwzględnione w przyszłych badaniach epoki rejonizacji." Zespół badawczy zamierza dowiedzieć się o wiele więcej na temat tych słabych galaktyk, gdy uruchomiona zostanie już następna generacja teleskopów. Prawdopodobnie będzie je już mógł dostrzec Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (NASA), którego otwarcie jest planowane na rok 2018.

Cały artykuł: John Wise et al., The birth of a galaxy - III. Propelling reionization with the faintest galaxies





Liczba odsłon: 2038