Hubble podważa rolę supernowych w rejonizacji Wszechświata

Według jednego z wiodących scenariuszy to wybuchy supernowych torowały światłu drogę z młodych galaktyk i pomogły uczynić Wszechświat przezroczystym po epoce ciemnej. Obserwacje Kosmicznego Teleskopu Hubble’a wskazują na coś odwrotnego: silne wiatry galaktyczne napędzane przez supernowe raczej hamują wydostawanie się promieniowania. Wyniki ukazały się 15 października w Nature Astronomy, a w ostatnich dniach omówił je Uniwersytet Michigan.

*Wizja artystyczna: masywne gwiazdy emitują promieniowanie jonizujące, ale gaz zgarnięty przez wiatry napędzane supernowymi może hamować jego wydostawanie się z galaktyki. Źródło: Siyi Wang*

Rejonizacja, czyli ostatnia wielka przemiana Wszechświata

We wczesnym Wszechświecie gaz był w większości neutralny, głównie wodór. Promieniowanie pierwszych gwiazd i galaktyk stopniowo go jonizowało, czyli odrywało elektrony od atomów. Ten proces, zwany rejonizacją, w większości dokonał się w ciągu pierwszego miliarda lat. Obserwacje Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba sugerują, że masywne gwiazdy w zwartych, wczesnych galaktykach wytwarzały dość fotonów jonizujących, by tego dokonać.

Pozostaje pytanie, ile z tych fotonów w ogóle opuściło swoje galaktyki. Promieniowanie o długości fali poniżej 91,2 nm, zwane kontinuum Lymana, łatwo pochłaniają gaz i pył wewnątrz galaktyki. Dla najdawniejszych epok nie da się zmierzyć tego wydostawania się bezpośrednio, bo po drodze pochłania je neutralny gaz międzygalaktyczny. Dlatego astronomowie badają bliskie odpowiedniki pierwszych galaktyk. W wielu symulacjach zakładano dotąd, że promieniowanie ucieka najłatwiej po tym, jak wiatry supernowych oczyszczą galaktykę z gazu i pyłu.

Sześć galaktyk i widma z Hubble’a

Zespół kierowany przez Cody’ego Carra z Uniwersytetu Michigan, we współpracy m.in. z Renyue Cenem z Uniwersytetu Zhejiang, wybrał sześć podobnych do siebie, zwartych galaktyk w pobliskim Wszechświecie. Wszystkie przechodzą wybuch gwiazdotwórczy, czyli okres bardzo szybkiego powstawania gwiazd, ale w różnym jego wieku. Dzięki temu dało się je ułożyć w sekwencję czasową, od początku wybuchu po fazę rozwiniętą.

Badacze przeanalizowali widma ultrafioletowe z Hubble’a o średniej rozdzielczości. Pojedyncze linie widmowe pozwoliły prześledzić narodziny wielofazowego wiatru galaktycznego, czyli strumienia gazu o różnych temperaturach i stopniach jonizacji naraz. Obok tego zmierzono, jaka część promieniowania jonizującego wydostaje się z każdej galaktyki.

Najszybsze wiatry, najmniej światła

Wynik jest wyraźny: galaktyki z najszybszymi wiatrami przepuszczały najmniejszą część promieniowania jonizującego. Wydostawanie się promieniowania może osiągać szczyt wcześnie, zanim rozwinie się silny wiatr, a potem słabnąć, gdy w wietrze rośnie ilość materii, czyli jego gęstość kolumnowa.

Autorzy opowiadają się za następującym scenariuszem. Pierwszy materiał z galaktyki usuwa wiatr napędzany promieniowaniem i wiatrami gwiazdowymi, być może wspomagany przez nieliczne wczesne supernowe od najmasywniejszych gwiazd. Dopiero później rozległe wiatry supernowych zaczynają hamować ucieczkę światła. Jak mówi Carr, fotony uciekają, zanim wiatry galaktyczne się uformują. Według naukowców z Uniwersytetu Michigan wzmacnia to teorię, w której kluczową rolę odgrywa aktywność młodych gwiazd.

Dlaczego to ważne i co dalej

Jeśli wydostawanie się promieniowania rzeczywiście jest największe na początku wybuchu gwiazdotwórczego, modele rejonizacji oparte na oczyszczającej roli supernowych mogą wymagać poprawek. To ważne dla interpretacji obserwacji Webba, który widzi galaktyki z epoki rejonizacji, ale nie może zmierzyć samego wydostawania się z nich promieniowania.

Warto pamiętać o ograniczeniach. Próbka liczy tylko sześć galaktyk, a to bliskie odpowiedniki, nie same galaktyki z wczesnego Wszechświata. Wyniki wspierają jeden ze scenariuszy, ale go nie przesądzają. Zespół stara się o kolejne obserwacje Hubble’a, które pozwolą sprawdzić ten obraz na większej próbce.

Źródła

Główne: