Hubble: wiatry napędzane supernowymi utrudniają ucieczkę światła z galaktyk i zmieniają obraz rejonizacji

Przez lata w astronomii dominowała prosta intuicja: wybuchy supernowych rozwiewają gaz wokół młodych gwiazd i otwierają drogę promieniowaniu ultrafioletowemu, które oczyściło wczesny Wszechświat z wodorowej mgły. Nowe obserwacje Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, opublikowane w Nature Astronomy, sugerują coś odwrotnego: im silniejszy wiatr galaktyczny, tym mniej promieniowania ucieka z galaktyki.

Kosmiczna mgła i jej koniec

W pierwszym miliardzie lat po Wielkim Wybuchu przestrzeń między galaktykami wypełniał neutralny wodór. Pochłaniał on promieniowanie ultrafioletowe, więc światło pierwszych gwiazd nie docierało daleko. Przełom nastąpił w epoce rejonizacji: energetyczne fotony z wczesnych galaktyk odrywały elektrony od atomów wodoru i stopniowo jonizowały gaz. Gdy proces dobiegł końca, Wszechświat stał się przezroczysty dla ultrafioletu, taki, jakim obserwujemy go dziś. Cody Carr, pierwszy autor pracy (badania prowadził na Uniwersytecie Zhejiang, obecnie pracuje na Uniwersytecie Michigan), nazywa rejonizację ostatnią wielką przemianą fazową Wszechświata.

Wciąż nie wiadomo jednak, które obiekty dostarczyły najwięcej promieniowania ani jak zdołało ono opuścić galaktyki. Fotony zdolne do jonizacji wodoru (tzw. kontinuum Lymana) łatwo pochłaniają gaz i pył wokół gwiazd. Aby się wydostały, w tej osłonie musiały powstać luki. Najpopularniejsza koncepcja przypisywała ich wydrążenie właśnie supernowym.

Pobliskie galaktyki jako laboratorium

Epoki rejonizacji nie da się badać wprost, bo światło tak odległych galaktyk jest bardzo słabe. Zespół, w którym pracowało prawie 30 naukowców z ponad tuzina instytucji, sięgnął więc po lokalne odpowiedniki: pobliskie galaktyki z gwałtownym rozbłyskiem gwiazdotwórczym (ang. starburst). Są zwarte i intensywnie rodzą gwiazdy, więc przypominają galaktyki, które mogły napędzać rejonizację.

Astronomowie wykorzystali widma tych galaktyk zebrane przez Hubble’a. Widmo, czyli rozkład światła na poszczególne długości fal, zdradza, co dzieje się z gazem wokół gwiazd. Gaz pochłania światło o określonych długościach, tworząc w widmie charakterystyczne ubytki. Ich położenie i kształt pozwalają wyznaczyć prędkość wiatru galaktycznego, którą porównano z ilością promieniowania jonizującego faktycznie uciekającego z danej galaktyki.

Wynik: silniejszy wiatr, mniej światła

Zależność okazała się odwrotna od oczekiwanej. Galaktyki z najszybszymi wiatrami wypuszczały w przestrzeń najmniejszą część promieniowania jonizującego. Stephan McCandliss z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa wyjaśnia, że energia dostarczana przez supernowe wzburza otoczenie i zwiększa stopień pokrycia neutralnego gazu i pyłu, który tłumi ucieczkę fotonów.

Najwięcej promieniowania ucieka więc wcześnie, zanim eksplodują pierwsze supernowe. Według opisu wcześniejszej wersji pracy (preprintu) ucieczka osiąga maksimum, gdy rozbłysk gwiazdotwórczy ma mniej niż ok. 3 mln lat, a gaz porusza się jeszcze względnie wolno, popychany przez promieniowanie i wiatry gwiazdowe. Później supernowe przyspieszają wiatr i porywają coraz więcej gazu i pyłu. Po mniej więcej pięciu milionach lat osłona staje się na tyle gęsta, że może zablokować ucieczkę niemal całkowicie. Carr ujmuje to tak: Nasze obserwacje pokazują, że te fotony uciekają, zanim powstaną wiatry galaktyczne.

Dlaczego to ważne i co dalej

Wynik podważa założenia wielu symulacji kosmologicznych, w których supernowe odgrywają kluczową rolę w otwieraniu galaktyk. Renyue Cen z Uniwersytetu Zhejiang przekonuje, że trzeba dokładniej modelować wpływ promieniowania i wiatrów gwiazdowych młodych gwiazd, zanim wybuchną pierwsze supernowe. Kontekst wyznaczają obserwacje Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, które wskazują, że zwarte galaktyki wczesnego Wszechświata wytwarzały dość fotonów, by dokończyć rejonizację. Otwarte pozostaje pytanie, jak te fotony się wydostawały.

Odkrycie nie rozstrzyga jeszcze, co zakończyło ostatnią wielką przemianę Wszechświata. Warto też pamiętać, że badano galaktyki bliskie, a nie te sprzed 13 miliardów lat, więc to wciąż analogia. Dlatego naukowcy ubiegają się o kolejny czas obserwacyjny Hubble’a, by sprawdzić, czy ta sama zależność pojawi się w większej próbce.

Źródła

Główne:

• University of Michigan, Hubble reveals a stunning twist in how the universe emerged from darkness,
• C. Carr i in., Lyman continuum escape during the onset of galactic winds in compact starbursts,

Kontekstowe:

• Preprint arXiv:2510.21197 (wcześniejsza wersja pracy),
• Uniwersytet Zhejiang, opis badań zespołu Cena i Carra

Opracowanie: Agnieszka Nowak