Открытие указывает на происхождение загадочного ультрафиолетового излучения

Открытие указывает на происхождение загадочного ультрафиолетового излучения

В миллиардах световых лет гигантские облака газообразного водорода производят особый вид излучения, тип ультрафиолетового света, известный как альфа-излучение Лаймана. Огромные облака, излучающие свет, представляют собой альфа-пузырьки Лимана (LAB). LAB в несколько раз больше нашей галактики Млечный Путь, но были открыты только 20 лет назад. Для производства этого излучения необходим чрезвычайно мощный источник энергии – представьте, что выходная энергия равна миллиардам нашего Солнца, – но ученые спорят о том, каким может быть этот источник энергии.

Новое исследование, опубликованное 9 марта в журнале Nature Astronomy, свидетельствует о том, что источник энергии находится в центре звездообразующих галактик, вокруг которых существуют LAB.

Исследование сосредоточено на Lyman-alpha blob 6 (LAB-6), расположенном на расстоянии более 18 миллиардов световых лет в направлении созвездия Грус. Совместная команда обнаружила уникальную особенность LAB-6 – его газообразный водород, казалось, падал внутрь себя. LAB-6 является первым LAB с убедительными доказательствами этой так называемой подписи падающего газа. В падающем газе было мало изобилия металлических элементов, что свидетельствует о том, что падающий водородный газ ЛАБ происходил из межгалактической среды, а не из самой звездообразующей галактики.

Количество падающего газа слишком мало, чтобы привести в действие наблюдаемое излучение Лаймана-альфа. Полученные данные свидетельствуют о том, что центральная звездообразующая галактика является основным источником энергии, ответственным за излучение Лимана-альфа. Они также ставят новые вопросы о структуре LAB.

«Это дает нам загадку. Мы ожидаем, что вокруг звездообразующих галактик должен появиться газ – им нужен газ для материалов», – сказал Чжэн Чжэн, адъюнкт-профессор физики и астрономии в Университете Юты и соавтор исследования. , Чжэн объединил усилия по анализу данных и провел теоретическую интерпретацию с аспирантом U Шию Не. «Но, похоже, это единственный шарик Лаймана-альфа с падающим газом. Почему это так редко?»

Авторы использовали Очень Большой Телескоп (VLT) в Европейской Южной Обсерватории (ESO) и Большой миллиметровый / Субмиллиметровый массив Atacama (ALMA) для получения данных. Ведущий автор Обсерватории Пурпурных гор Ипин Ао, Китайская академия наук, впервые обнаружил систему LAB-6 более десяти лет назад. Он знал, что даже тогда в системе было что-то особенное, исходя из экстремальных размеров капли водорода. Он ухватился за возможность присмотреться.

«К счастью, нам удалось получить данные, необходимые для захвата молекулярного состава из ALMA, определяющего скорость галактики», – сказал он. «Оптический телескоп VLT от ESO дал нам важный спектральный световой профиль излучения Лайман-альфа».

Водородный свет раскрывает свой секрет

Вселенная наполнена водородом. Электрон водорода вращается вокруг ядра атома на разных энергетических уровнях. Когда нейтральный атом водорода взрывается энергией, электрон может быть увеличен до большей орбиты с более высоким уровнем энергии. Тогда электрон может перепрыгнуть с одного уровня орбиты на другой, что приведет к образованию фотона. Когда электрон движется к самой внутренней орбите с орбиты, непосредственно примыкающей к нему, он испускает фотон с определенной длиной волны в ультрафиолетовом спектре, который называется излучением Лаймана-альфа. Мощный источник энергии необходим для того, чтобы заряжать водород достаточно, чтобы произвести излучение Лаймана-альфа.

Авторы обнаружили характер падающего газа, проанализировав кинематику эмиссии Лаймана-альфа. После испускания альфа-фотона Лимана он сталкивается с окружающей средой, заполненной атомами водорода. Он много раз врезается в эти атомы, как мяч, движущийся в автомате для пинбола, прежде чем покинуть окружающую среду. Этот выход заставляет эмиссию распространяться наружу на большие расстояния.

Все это подпрыгивание не только изменяет направление световой волны, но также и ее частоту, поскольку движение газа вызывает эффект Доплера. Когда газ выходит, альфа-излучение Лаймана смещается в более длинную красную волну. Когда газ поступает, происходит обратное – длина волны излучения альфа-излучения Лаймана, по-видимому, становится короче, смещая его в более синий спектр.

Авторы этой статьи использовали наблюдения ALMA, чтобы определить предполагаемую длину волны излучения Лайман-альфа с точки зрения Земли, если не было прыгающего эффекта для фотонов Лайман-альфа. С помощью наблюдения VLT они обнаружили, что излучение Lyman-альфа из этого сгустка смещается в более длинную волну, что подразумевает приток газа. Они использовали модели для анализа данных спектра и изучения кинематики газообразного водорода.

Падающий газ сужает происхождение Lyman-альфа-излучения

LAB связаны с гигантскими галактиками, которые образуют звезды со скоростью от сотен до тысяч солнечных масс в год. Гигантские ореолы эмиссии Лиман-альфа окружают эти галактики, образуя газовые шарики Лиман-альфа с сотнями тысяч световых лет в поперечнике с мощностью, эквивалентной примерно 10 миллиардам солнц. Движение в газовых каплях может рассказать вам кое-что о состоянии галактики.

Падающий газ может возникать несколькими различными способами. Это может быть вторая ступень галактического фонтана – если умирают массивные звезды, они взрываются и выталкивают газ наружу, который затем падает внутрь. Другой вариант – холодный поток – между небесными объектами плавают нити водорода, которые могут быть втянуты в центр потенциальной ямы, создавая особенность падающего газа.

Модель авторов предполагает, что падающий газ в этой LAB происходит из последнего сценария. Они проанализировали форму светового профиля Lyman-alpha, который указывает на очень мало металлической пыли. В астрономии металлы тяжелее гелия. Звезды производят все тяжелые элементы во вселенной – когда они взрываются, они производят металлические элементы и распространяют их по межгалактическому пространству.

«Если бы газ поступил из этой галактики, вы должны увидеть больше металлов. Но в этом металле было не так много», – сказал Чжэн. «Указание на то, что газ не загрязнен элементами этого звездообразования».

Кроме того, их модель показывает, что окружающий газ производит только энергетическую мощность, эквивалентную двум солнечным массам в год, что слишком мало для количества наблюдаемого излучения альфа-Лаймана.

Полученные данные являются убедительным доказательством того, что звездообразующая галактика является основным источником излучения Лайман-альфа, в то время как падающий газ действует для формирования спектрального профиля. Тем не менее, это не полностью отвечает на вопрос.

«Возможны и другие возможности», – сказал Ао. «Если галактика имеет сверхмассивную черную дыру в центре, она может испускать энергетические фотоны, которые могут перемещаться достаточно далеко, чтобы произвести излучение».

В будущих исследованиях авторы хотят отделить сложную газовую динамику, чтобы выяснить, почему падающий газ является редкостью для LAB. Например, входящий газ может зависеть от ориентации системы. Они также хотят построить более реалистичные модели, чтобы понять движения фотонов излучения Lyman-альфа, когда они врезаются в атомы.

Yiping Ao также является филиалом Китайского университета науки и технологии. Другие участвующие авторы включают: Шию Не из Университета Юты; Кристиан Хенкель из MPIfR и Университета короля Абдулазиза; Александр Белен из Института астрофизики, Ренюе Цен, Принстонский университет; Марк Дейкстра из Университета Осло; Пол Дж. Фрэнсис из Австралийского национального университета; Джеймс Э. Гич из Хартфордширского университета; Котаро Коно из Токийского университета; Мэтью Д. Ленерт из Университета Сорбонны; Карл М. Ментен и Аксель Вайсс из MPIfR; и Цзюньчжи Ван из Шанхайской астрономической обсерватории.


Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Юты . Оригинал написан Лизой Поттер. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.


Ссылка на журнал :

  1. Ипин Ао, Чжэн Чжэн, Кристиан Хенкель, Шию Ни, Александр Билен, Ренюе Сен, Марк Дейкстра, Пол Дж. Фрэнсис, Джеймс Э. Гич, Котаро Коно, Мэтью Д. Ленерт, Карл М. Ментен, Джунжи Ван, Аксель Вайс. Падающий газ в капле Лимана-α . Астрономия Природы , 2020; DOI: 10.1038 / s41550-020-1033-3