Promieniowanie X dyktuje warunki, czyli wszystko zależy od czarnych dziur

Wyniki najnowszych badań sugerują, że czarne dziury, powstałe  z pierwszych gwiazd w Wszechświecie, ogrzały gaz w całej przestrzeni kosmicznej znacznie później, niż dotychczas sądzono.
Źródło: procy_ab / Fotolia
Na łamach czasopisma  Nature opublikowano wyniki symulacji, które pokazują, że czarne dziury, utworzone z pierwszych gwiazd we Wszechświecie, ogrzewały gaz w przestrzeni kosmicznej znacznie później, niż dotychczas sądzono.

Po Wielkim Wybuchy Wszechświat ochładzał się, a protony i neutrony mogły tworzyć neutralny wodór. Przez kilkaset milionów lat pierwotny wodór chłodził się. W końcu powstały  pierwsze gwiazdy, galaktyki i czarne dziury. Ich promieniowanie z zakresu X ogrzewało pierwotny wodór, zaś z zakresu UV jonizowało go. Uważamy że Wszechświat został zjonizowany około miliard lat po Wielkim Wybuchu, a zanim to nastąpiło został on ogrzany.

Nowe obserwacje i  symulacje pokazują trochę coś innego. Astronomowie obserwują odległą nam, nawet o miliardy lat, przeszłość. Światło z odległych obiektów potrzebuje sporo czasu, aby dotrzeć do Ziemi. Właśnie dzięki temu badacze mogę patrzeć na tyle daleko, aby zobaczyć gwiazdy, takimi jakie były we wczesnym Wszechświecie. Na podstawie  tych obserwacji, poprawiono model, w którym źródłem promieniowania X są układy  znane jako „czarne dziury binarne”. Są to pary gwiazd, w których większa gwiazda kończy swój żywot w wybuchu supernowej, a pozostałością po eksplozji jest właśnie czarna dziura. Gaz z gwiazdy towarzysza jest wyciągany w kierunku czarnej dziury i może stać się emiterem promieniowania X.

Wyniki symulacji pokazują, że pierwotny neutralny wodór ogrzewał się znacznie wolniej niż wcześniej uważano. W oparciu o obserwacje pobliskich czarnych dziur binarnych, poprawiono model, który teraz preferuje emisję o wysokiej energii X (poprzedni faworyzował nisko energetyczny zakres promieniowania X). Wysoko energetyczne promieniowanie X propaguje się dalej niż promieniowanie o mniejszej energii zanim zostanie zaabsorbowane przez gaz, a wówczas wodór ogrzewany jest bardziej jednorodne. Jednocześnie, co nie jest oczywiste, mniej energii  promieniowania przechodzi do materii.  Jest to związane jest z ekspansją Wszechświata.

Promieniowanie X bardzo dobrze ogrzewa ośrodek, ale słabo go jonizuje. To promieniowanie UV jest głównym "sprawcą" tego, że wodór w ośrodku międzygalaktycznym jest dziś zjonizowany. Poprawiono model promieniowania X, ale model promieniowania w zakresie UV został bez zmian, co oznacza, że UV rozpoczyna proces jonizacji ośrodka (tzw. rejonizacji lub wtórnej jonizacji, bo po raz drugi składniki wodoru - proton i elektron - będą rozdzielone), gdy wodór jest nadal chłodny.

Dotąd uważano, że ogrzewanie Wszechświata nastąpiło bardzo wcześnie. Naukowcy pokazali, że dokładny obraz tego, kiedy ogrzewanie następowało zależy od precyzji wyznaczenia energii obserwowanego promieniowania rentgenowskiego z czarnych dziur binarnych.

Aby móc prowadzić obserwacje radiowe wodoru we wczesnym Wszechświecie i śledzić proces rejonizacji, budowane są kolejne sieci radioteleskopów (LOFAR, SKA, PAPER, HERA).  Wiadomo, że  sygnał będzie mocno zanieczyszczony przez inne źródła i trudny do identyfikacji. Jednak kilka charakterystycznych cech pozwoliło by zidentyfikować neutralny wodór i śledzic kolejne etapy jego jonizacji, a co za tym idzie zrozumieć ewolucje źródeł jonizujących - pierwszych gwiazd, galaktyk i czarnych dziur. Jeśli wodór został ogrzany przez promieniowanie X w sposób bardziej jednorodnym, to będzie dużo trudniej zidentyfikować te charakterystyczne cechy. Jednocześnie dzięki tym badaniom można nieco zmodyfikować działania obecnych i przyszłych instrumentów, których zadaniem jest wykrycie sygnału neutralnego wodoru.

Wyniki symulacji  wskazują, że radioteleskopy mogą zostać również  wykorzystane do bezpośredniego zaobserwowania kosmicznego ogrzewania dokonanego przez wczesne czarne dziury.  Promieniowanie radiowe odległego neutralnego wodoru pozwoli  pośrednio badać jak formowały się pierwsze gwiazdy, które nie dotrwały do naszych czasów.


Źródło: ScienceDaily,   Nature A.Fialkov et al, Nature J.D. Bowman

Alicja Wierzcholska, Karolina Zawada

Liczba odsłon: 1553