James Webb rozwiązuje zagadkę emisji alfa Lymana w kosmologii

Cała społeczność astronomiczna niewątpliwie wiązała duże nadzieje, kiedy 25 grudnia 2021 roku wystrzelono Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST). Dotarł on do punktu Lagrange'a L2, swojego miejsca docelowego, a tym samym obszaru orbity Ziemi, gdzie satelita Plancka przeprowadził swoje zdumiewające badania promieniowania kopalnego, najstarszego obserwowalnego światła we wszechświecie, informującego nas o jego wieku, krzywiźnie, kształcie i zawartości. O ciemnej materii i energii.

Promieniowanie kopalne zostało wyemitowane w ciągu kilku tysięcy lat, około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu. James Webb nie dokonuje tak wczesnych obserwacji historii obserwowalnego wszechświata, ale może pozwolić nam cofnąć się przynajmniej o 250 milionów lat po Wielkim Wybuchu i przynajmniej lepiej zrozumieć warstwy światła. Miliony i miliardy lat, do których Hubble mógł już dotrzeć, ale nie w pełni.

Przez 13,8 miliarda lat Wszechświat nadal ewoluował. Wbrew temu, co mówią nam oczy, gdy patrzymy na niebo, jego kształt nie jest statyczny. Fizycy prowadzą obserwacje różnych epok Wszechświata i przeprowadzają symulacje, w których odtwarzają wszechświat i jego ewolucję. Wydaje się, że ciemna materia odgrywała główną rolę od początków Wszechświata do powstania dużych struktur, które obserwujemy dzisiaj. © Badania CEA

Pierwotne galaktyki, które powinny być niewidoczne w emisji alfa Lymana

Jednakże artykuł opublikowany w astronomia naturalna, Które można znaleźć bezpłatnie pod adresem arXiv, Donosi, że obserwacje Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba rozwiązują zagadkę, która od jakiegoś czasu dręczy kosmologów. Według standardowego modelu kosmologicznego opartego na ciemnej materii i ciemnej energii, najbardziej odległe galaktyki nie powinny świecić tak mocno ze względu na tzw. emisję Lyman-alfa z atomów wodoru. Będą nawet mniej świecić, gdy będziemy je obserwować w starożytnych warstwach światła, do tego stopnia, że ​​staną się niewidoczne niecałe miliard lat po Wielkim Wybuchu.

Tak nie jest, dlaczego? Czy to wskazuje na inny problem kosmologii standardowej, taki jak problem wartości słynnej stałej Hubble'a-Lemaitre'a?

Aby zrozumieć prawdę, musimy wrócić do emisji promieniowania kopalnego. W ciągu kilku tysięcy lat temperatura plazmy Wszechświata spadła na tyle w wyniku jej ekspansji, że w tym okresie powstały pierwsze atomy wodoru i helu, których jądra wychwytywały wolne elektrony, tworząc atomy neutralne. To początek słynnego Średniowiecze Ponieważ minie sto milionów lat, zanim zacznie się pojawiać duża liczba gwiazd.

Rejonizacja nastąpiła bardzo wcześnie w historii wszechświata, co utrudnia bezpośrednią obserwację. Kilka minut po Wielkim Wybuchu wszechświat był nadal zbyt gorący, aby jądra atomowe mogły wychwytywać elektrony: został wówczas całkowicie zjonizowany. Następnie Wszechświat nadal się rozszerzał i ochładzał, aż jego temperatura stała się wystarczająco niska, aby umożliwić elektronom związanie się z jądrami i utworzenie pierwszych atomów. Ta „rekombinacja”, jak ją nazywamy, miała miejsce około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu. Ten moment reprezentuje także inne ważne wydarzenie w historii wszechświata: choć światło jest łatwo rozpraszane przez elektrony, gdy są wolne, jest to znacznie trudniejsze, gdy są związane z jądrem. Zatem rekombinacja oznacza także moment, w którym wszechświat stał się przezroczysty i światło mogło się w nim swobodnie rozprzestrzeniać. © Deska HFI

Gwiazdy te są bardzo gorące i emitują promieniowanie w ultrafiolecie, w szczególności emisję Lymana-α. Tyle że w tamtym czasie neutralny wodór był nadal szeroko obecny, szczególnie wokół młodych galaktyk, a promieniowanie gwiazd w tych młodych galaktykach zajęłoby setki milionów lat, a być może nawet pierwsze supermasywne czarne dziury zgromadziłyby materię w celu ogrzania w górę. Promieniuje odpowiednio, jonizując ten neutralny międzygalaktyczny wodór i jest raczej nieprzezroczysty dla emisji Lymana-α. Zatem obserwowalny Wszechświat powinien powoli stać się przezroczysty podczas tak zwanego okresu rejonizacji, który, jak wiemy, zakończy się najwyżej około miliarda lat po Wielkim Wybuchu.

„Galaktyki” składają się z kilku zderzających się galaktyk?

Astrofizycy uważają, że obecnie posiadają klucz do zagadki nienormalnej jasności młodych galaktyk, podczas gdy rejonizacja nie jest jeszcze wystarczająca. Zatem dociera do nas z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba i znajdującej się w nim kamery NIRCam, jednego z instrumentów monitorujących światło w bliskiej podczerwieni i potrafiącego obserwować światło przesunięte w stronę tych częstotliwości w przypadku odległych galaktyk.

NIRCam przeanalizował obrazy galaktyk, które pokazują, że w rzeczywistości są to duże galaktyki, ale otoczone przez pobliskie mniejsze galaktyki, które oddziałują lub nawet zderzają się.

Zespół odpowiedzialny za publikację w Astronomia przyrodnicza Następnie wykorzystano symulacje komputerowe do odtworzenia zjawisk zachodzących w tych galaktykach i, jak wyjaśnia komunikat prasowy ESA, w ich członkach „ Odkrył, że szybka akumulacja masy gwiazd w wyniku łączenia się galaktyk prowadzi do silnej emisji wodoru i ułatwia ucieczkę tego promieniowania przez puste kanały obfitego gazu obojętnego. Zatem duże tempo łączenia mniejszych, wcześniej nieobserwowanych galaktyk dostarczyło przekonującego rozwiązania długotrwałej zagadki niewytłumaczalnej wczesnej emisji wodoru.

Zespół planuje kontynuować obserwacje galaktyk na różnych etapach łączenia się, aby dalej pogłębiać swoją wiedzę na temat sposobu, w jaki emisje wodoru są wyciskane z tych ewoluujących układów. Ostatecznie pozwoli im to na lepsze zrozumienie ewolucji galaktyk „.

Bardziej wyraźnie, bliskie zderzenia pomiędzy kilkoma galaktykami karłowatymi a dużymi galaktykami, które początkowo były otoczone halo obojętnego wodoru, spowodowały jonizację tego halo, umożliwiając utworzenie przezroczystego zjonizowanego bąbla emisji alfa z wodoru z szaleństwa formowania się młodych gwiazd w tych galaktykach. galaktyki. Galaktyki.