Одним із головних завдань місії NASA/ESA/CSA «Космічний телескоп Джеймса Вебба» (Space Telescope James Webb) є дослідження раннього Всесвіту. Тепер неперевершена роздільна здатність і чутливість інструменту NIRCam, встановленого на облавку «Вебба», дали змогу вперше з’ясувати, що знаходиться міжгалактичному середовищі в дуже ранньому Всесвіті. Завдяки цьому розгадано одну з великих таємниць в астрономії — чому астрономи виявляють світло від атомів водню, які мав би повністю блокувати нейтральний газ, що утворився після Великого Вибуху. Нові спостереження, виконані «Веббом», виявили маленькі, слабкі об’єкти, що оточують ті самі галактики, які демонструють «незрозуміле» випромінювання водню. У поєднанні з найсучаснішим моделюванням галактик у ранньому Всесвіті, спостереження показали: хаотичне злиття сусідніх галактик є джерелом цього, досі не поясненого, випромінювання водню.
Світло поширюється зі скінченною швидкістю (300 000 кілометрів на секунду), а це означає — що далі міститься галактика, то довше їй світло йде до Сонячної системи. Тому спостереження найвіддаленіших галактиками — це не тільки дослідження далеких просторів Всесвіту, але й вивчення Всесвіт таким, яким він був у минулому. Щоб досліджувати дуже ранній Всесвіт, астрономам потрібні дуже потужні телескопи, здатні спостерігати за дуже далекими — і тому дуже слабкими — галактиками. Однією з основних можливостей «Вебба» є його здатність спостерігати за цими дуже далекими галактиками, а отже, досліджувати ранню історію Всесвіту. Міжнародна команда астрономів з успіхом використала дивовижну здатність «Вебба», щоб вирішити давню таємницю в астрономії.
Найдавніші галактики були місцями енергійного та активного зореутворення, і тому водночас були сильними джерелами світла, яке випромінюють атомами водню і яке має назву випромінювання Лайман-α [1]. Однак під час епохи реіонізації [2] величезна кількість нейтрального водню оточувала ці області активного зореутворення (також відомі як «зоряні ясла»). Крім того, простір між галактиками був заповнений більшою кількістю такого нейтрального газу, ніж тепер. Газ може дуже ефективно поглинати та розсіювати випромінювання Лайман-α [3], тому астрономи давно передбачали, що цього потужного випромінювання, яке вивільнялося в дуже ранньому Всесвіті, вони не мають спостерігати в наш час. Однак ця теорія не завжди витримувала перевірку, бо астрономи раніше спостерігали прояви дуже ранньої емісії водню. Це стало загадкою: як трапилося, що це випромінювання водню — яке давно мало бути поглинуте або розсіяне — досі існує?
Науковець з Кембриджського університету та головний учасник нового дослідження Каллум Віттен (Callum Witten) пояснює: «Однією з найзагадковіших проблем, на яку вказували попередні спостереження, було виявлення світла від атомів водню в дуже ранньому Всесвіті, яке мало бути повністю заблокованим первісним нейтральним газом, що утворився після Великого Вибуху. Раніше було запропоновано багато гіпотез, щоб пояснити сильний потік від цієї “незбагненної” емісії».
Наукова група змогла зробити прорив завдяки надзвичайному поєднанні кутової роздільної здатності та чутливості «Вебба». Спостереження, виконані за допомогою приладу NIRCam, дали змогу розрізнити менші, тьмяніші галактики, що оточують яскраві галактики, з яких було виявлено «незрозуміле» випромінювання водню. Іншими словами, околиці цих галактик є набагато більш жвавим місцем, ніж астрономи вважали раніше. Їх заповнюють маленькі, слабкі галактики. Важливо те, що ці менші галактики взаємодіяли та зливалися одна з одною, і «Вебб» показав, що злиття галактик відіграє важливу роль у поясненні таємничого випромінювання від найдавніших галактик.
Серхіо Мартін-Альварес (Sergio Martin-Alvarez), учасник наукової групи зі Стенфордського університету, додав: «Там, де “Габбл” бачив лише велику галактику, “Вебб” бачить скупчення менших галактик, що взаємодіють. Це відкриття мало величезний вплив на наше розуміння несподіваної емісії водню від деяких з перших галактик».
Потім науковці використали сучасне комп’ютерне моделювання, щоб дослідити фізичні процеси, які могли б пояснити їхні результати. Вони виявили: швидке нарощування зоряної маси через злиття галактик спричиняло потужне випромінювання водню та полегшувало вихід цього випромінювання через канали, очищені від великої кількості нейтрального газу. Таким чином, висока швидкість злиття менших галактик, які раніше не спостерігалися, стала переконливим рішенням давньої загадки «незрозумілої» ранньої емісії водню.
Наукова група планує подальші спостереження за галактиками на різних стадіях злиття, щоб розвивати своє розуміння того, як випромінювання водню виходить із цих мінливих систем. Зрештою, це дасть змогу покращити наше розуміння еволюції галактик.
Результати дослідження опубліковано в Nature Astronomy.
Примітки
[1] Випромінювання Лайман-α (Lyman-α) — це випромінювання з довжиною хвилі 121,567 нанометрів. Воно виникає, коли електрон в атомі водню переходить зі збудженого стану на орбіталі n = 2 до свого основного стану, тобто на орбіталь n = 1 (найнижчий енергетичний стан атома, який він може мати). Квантова фізика визначає, що електрони можуть існувати лише в дуже специфічних енергетичних станах, а тому певні енергетичні переходи — наприклад, коли електрон в атомі водню переходить з орбіталі n = 2 на n = 1 — можна ідентифікувати за довжиною хвилі світла, яке випромінює атом під час цього переходу. Випромінювання Lyman-α має важливе значення в багатьох галузях астрономії. По-перше, водень дуже поширений у Всесвіті, а по-друге: водень зазвичай переходить в збуджений стан через енергетичні процеси, такі як активне зореутворення. Тому випромінювання Lyman-α може вказувати на те, що відбувається активний процес формування зір.
[2] Епоха реіонізації була дуже ранньою стадією в історії Всесвіту. Вона трапилася після рекомбінації (перша стадія після Великого Вибуху). Під час рекомбінації Всесвіт охолонув так, що електрони та протони почали об’єднуватися, утворюючи нейтральні атоми водню. Під час реіонізації почали утворюватися щільніші хмари газу, виникати зорі та, зрештою, цілі галактики, світло яких поступово повторно іонізувало водень.
[3] Нейтральний газоподібний водень складається з атомів водню, що перебувають в найнижчому енергетичному стані (в кожному атомі електрон міститься на орбіталі n = 1). Оскільки випромінювання Lyman-α виникає внаслідок переходу електрона з орбіталі n = 2 до n = 1, то коли воно стикається з нейтральним атомом водню, його енергії достатньо для іонізації атома чи переміщення його електрона на наступну доступну орбіталь. Це означає, що нейтральний газ дуже легко поглинає та блокує випромінювання Lyman-α.
За інф. з сайту https://esawebb.org
