Splynutí galaxií osvětluje záhadu raného vesmíru

Kamera NIRCam vesmírného teleskopu Jamese Webba (JWST) odhalila malé, slabé galaxie splývající s většími v raném vesmíru a vyřešila záhadu detekovaného vodíkového světla, které mělo být zakryto. Tento objev, spolu s pokročilými simulacemi, vrhá nové světlo na formování a vývoj galaxií v raném vesmíru.

Jednou z klíčových misí vesmírného teleskopu Jamese Webba je sondování raného vesmíru. Nyní bezkonkurenční rozlišení a citlivost Webbova přístroje NIRCam poprvé odhalily, co leží v místním prostředí galaxií ve velmi raném vesmíru. Tím se vyřešila jedna z největších záhad v astronomii – proč astronomové detekují světlo zářícího vodíku, které mělo být zcela zablokováno nedotčeným plynem, který se vytvořil po Velkém třesku.

Řešení astronomické záhady
Tato nová Webbova pozorování našla malé, slabé objekty obklopující samotné galaxie, které ukazují „nevysvětlitelné“ emise vodíku. Ve spojení s nejmodernějšími simulacemi galaxií v raném vesmíru pozorování ukázala, že chaotické slučování těchto galaxií je zdrojem této emise vodíku.

Světlo se šíří konečnou rychlostí (300 000 km za sekundu), což znamená, že čím dále je galaxie, tím déle světlu trvalo, než se dostalo do naší Sluneční soustavy. Výsledkem je, že nejen pozorování nejvzdálenějších galaxií prozkoumává vzdálené končiny vesmíru, ale také nám umožňuje studovat vesmír tak, jak vypadal v minulosti.

Tento publikovaný obrázek ukazuje EGSY8p7, jasnou galaxii v raném vesmíru, kde je vidět emise světla mimo jiné z excitovaných atomů vodíku – emise Lyman-α. Galaxie byla identifikována v poli mladých galaxií, které Webbův teleskop studoval v průzkumu CEERS. Webbova vysoká citlivost zachycuje na spodních dvou panelech tuto vzdálenou galaxii spolu s jejími dvěma doprovodnými galaxiemi, kde předchozí pozorování ukázala na jejím místě pouze jednu větší galaxii.

Webbovy schopnosti pozorování raných galaxií
Aby astronomové mohli studovat velmi raný vesmír, potřebují výjimečně výkonné dalekohledy, které jsou schopny pozorovat velmi vzdálené – a tedy velmi slabé – galaxie. Jednou z klíčových vlastností Webbova teleskopu je jeho schopnost pozorovat tyto velmi vzdálené galaxie, a tedy zkoumat ranou historii vesmíru. Mezinárodní tým astronomů skvěle využil Webbovy úžasné schopnosti při řešení dlouhotrvající záhady v astronomii.

Nejranější galaxie byly místy intenzivní a aktivní tvorby hvězd a jako takové byly bohatými zdroji typu světla vyzařovaného atomy vodíku nazývaného Lyman-α emise.

Avšak během epochy reionizace obklopovalo tyto oblasti aktivní tvorby hvězd (také známé jako hvězdné porodnice) obrovské množství neutrálního vodíku. Prostor mezi galaxiemi byl navíc vyplněn větším množstvím tohoto neutrálního plynu, než je tomu dnes. Plyn může velmi účinně absorbovat a rozptylovat tento druh vodíkové emise, proto astronomové dlouho předpovídali, že hojná Lyman-α emise uvolněná ve velmi raném vesmíru by dnes neměla být pozorovatelná.

Tato teorie však ne vždy obstála při výzkumu, protože astronomové již dříve pozorovali příklady velmi rané emise vodíku. To představuje záhadu: jak je možné, že tato emise vodíku – která by měla být již dávno absorbována nebo rozptýlena – je pozorována? Výzkumník z University of Cambridge a hlavní řešitel nové studie Callum Witten rozvádí:

„Jedním z nejzáhadnějších problémů, které předchozí pozorování představovala, byla detekce světla z atomů vodíku ve velmi raném vesmíru, které mělo být zcela zablokováno nedotčeným neutrálním plynem, který se vytvořil po Velkém třesku. Již dříve bylo navrženo mnoho hypotéz vysvětlujících velký únik této ‚nevysvětlitelné‘ emise.“

Fúze galaxií a emise vodíku
Průlom týmu přišel díky Webbově mimořádné kombinaci úhlového rozlišení a citlivosti. Pozorování pomocí Webbova přístroje NIRCam byla schopna rozlišit menší, slabší galaxie, které obklopují jasné galaxie, z nichž byla detekována „nevysvětlitelná“ emise vodíku. Jinými slovy, okolí těchto galaxií se zdá být mnohem rušnějším místem, než jsme si dříve mysleli, plné malých, slabých galaxií. Zásadní je, že tyto menší galaxie se vzájemně ovlivňovaly a slučovaly a Webbův teleskop odhalil, že sloučení galaxií hraje důležitou roli při vysvětlení záhadné emise z nejstarších galaxií. Sergio Martin-Alvarez, člen týmu ze Stanfordské univerzity, dodává:

„Tam, kde HST viděl pouze jednu velkou galaxii, Webbův teleskop vidí kupu menších interagujících galaxií a toto odhalení mělo obrovský dopad na naše chápání neočekávané emise vodíku z některých prvních galaxií.“

Tým poté použil nejmodernější počítačové simulace, aby prozkoumal fyzikální procesy, které by mohly vysvětlit jejich výsledky. Zjistili, že rychlé nahromadění hvězdné hmoty prostřednictvím sloučení galaxií způsobilo silné emise vodíku a usnadnilo únik tohoto záření kanály zbavenými hojného neutrálního plynu. Takže vysoká míra slučování dříve nepozorovaných menších galaxií představovala přesvědčivé řešení dlouhodobé hádanky „nevysvětlitelné“ rané emise vodíku.

Budoucí výzkum a porozumění evoluci galaxií
Tým plánuje následná pozorování galaxií v různých fázích slučování, aby dále rozvíjel své chápání toho, jak jsou emise vodíku „vyhazovány“ z těchto měnících se systémů. Nakonec jim to umožní zlepšit naše chápání vývoje galaxií.

Tato zjištění byla publikována 18. ledna 2024 v Nature Astronomy.

Zdroj: https://scitechdaily.com/webb-telescope-unravels-cosmic-puzzle-galaxy-mergers-illuminate-early-universe-mystery/ a https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Webb/Webb_galaxy_mergers_solve_early_Universe_mystery

autor: František Martinek