En enorm lysende tåge udgør et kosmisk mysterium

Astronomer har fundet en enorm, glødende klat gas i det fjerne univers, uden nogen åbenlys strømkilde til det lys, den udsender. Kaldes en "enorm Lyman-alpha-tåge" (ELAN), det er den lyseste og blandt de største af disse sjældne genstande, kun en håndfuld af dem er blevet observeret.

ELAN'er er enorme klatter af gas, der omgiver og strækker sig mellem galakser i det intergalaktiske medium. De menes at være dele af netværket af filamenter, der forbinder galakser i et stort kosmisk net. Tidligere opdagede ELAN'er er sandsynligvis oplyst af den intense stråling fra kvasarer, men det er ikke klart, hvad der får brintgassen i den nyopdagede tåge til at udsende Lyman-alfa-stråling (en karakteristisk bølgelængde af lys absorberet og udsendt af brintatomer).

Den nyopdagede tåge blev fundet i en afstand af 10 milliarder lysår midt i et område med en ekstraordinær koncentration af galakser. Forskere fandt denne massive overdensitet af tidlige galakser, kaldet en "protocluster, "gennem et nyt undersøgelsesprojekt ledet af Zheng Cai, en Hubble postdoc ved UC Santa Cruz.

"Vores undersøgelse forsøgte ikke at finde tåger. Vi leder efter de mest overtætte miljøer i det tidlige univers, de store byer, hvor der er masser af galakser, " sagde Cai. "Vi fandt denne enorme tåge i midten af ​​protoclusteren, tæt på toptætheden."

Cai er førsteforfatter til et papir om opdagelsen, der er godkendt til offentliggørelse i Astrofysisk tidsskrift og tilgængelig online på arxiv.org/abs/1609.04021. Hans undersøgelsesprojekt hedder Mapping the Most Massive Overdensities Through Hydrogen (MAMMOTH), og det nyopdagede ELAN er kendt som MAMMOTH-1.

Medforfatter J. Xavier Prochaska, professor i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz, nævnte tidligere opdagede ELAN'er er blevet opdaget i kvasarundersøgelser. I de tilfælde, den intense stråling fra en kvasarbelyst brintgas i tågen, får den til at udsende Lyman-alfa-stråling. Prochaskas team opdagede det første ELAN, døbt "Snegletågen, " i 2014. MAMMOTH-1 er den første, der ikke er forbundet med en synlig kvasar, han sagde.

"Det er ekstremt lyst, og den er sandsynligvis større end Snegletågen, men der er intet andet synligt end den svage pletter af en galakse. Så det er et forrygende energisk fænomen uden en åbenlys strømkilde, " sagde Prochaska.

Lige så imponerende er den enorme protocluster, hvori den ligger, han sagde. Protohobe er forløbere for galaksehobe, som består af hundreder til tusinder af galakser bundet sammen af ​​tyngdekraften. Fordi protoclusters er spredt ud over et meget større område af himlen, de er meget sværere at finde end galaksehobe.

Protoclusteret, der er vært for MAMMOTH-1-tågen, er massiv, med en usædvanlig høj koncentration af galakser i et område på omkring 50 millioner lysår på tværs. Fordi det er så langt væk (10 milliarder lysår), astronomer ser faktisk tilbage i tiden for at se protoklyngen, som den var for 10 milliarder år siden, eller omkring 3 milliarder år efter Big Bang, under den højeste epoke af galaksedannelse. Efter at have udviklet sig i 10 milliarder år mere, denne protoklynge ville i dag være en moden galaksehob, måske kun en million lysår på tværs, efter at være kollapset ned til et meget mindre område, sagde Prochaska.

Den kosmologiske standardmodel for strukturdannelse i universet forudsiger, at galakser er indlejret i et kosmisk stofnet, hvoraf det meste er usynligt mørkt stof. Gassen, der kollapser og danner galakser og stjerner, sporer fordelingen af ​​mørkt stof og strækker sig ud over galakserne langs filamenterne i det kosmiske væv. MAMMOTH-1-tågen ser ud til at have en filamentær struktur, der flugter med galaksefordelingen i protoklyngens storskalastruktur, understøtter ideen om, at ELAN'er er oplyste segmenter af det kosmiske web, sagde Cai.

"Fra fordelingen af ​​galakser kan vi udlede, hvor filamenterne i det kosmiske væv er, og tågen er perfekt på linje med den struktur, " han sagde.

Cai og hans medforfattere overvejede flere mulige mekanismer, der kunne drive Lyman-alfa-emissionen fra tågen. De mest sandsynlige forklaringer involverer stråling eller udstrømning fra en aktiv galaktisk kerne (AGN), der er stærkt skjult af støv, så kun en svag kilde kan ses forbundet med tågen. En AGN er drevet af et supermassivt sort hul, der aktivt lever af gas i midten af ​​en galakse, og det er normalt en ekstremt lys kilde til lys (kvasarer er de mest lysende AGN'er i synligt lys).

Den intense stråling fra en AGN kan ionisere gassen omkring den (kaldet fotoionisering), og dette kan være en mekanisme, der virker i MAMMOTH-1. Når ioniseret brint i tågen rekombinerer, vil det udsende Lyman-alfa-stråling. En anden mulig mekanisme, der driver Lyman-alfa-emissionerne, er stødopvarmning ved en kraftig udstrømning af gas fra AGN.

Forskerne beskrev flere bevislinjer, der understøtter eksistensen af ​​en skjult AGN, der aktiverer tågen, herunder gassens dynamik og emissioner fra andre grundstoffer end brint, især helium og kulstof.

"Det har alle kendetegnene for en AGN, men vi ser ikke noget i vores optiske billeder. Jeg forventer, at der er en kvasar, der er så skjult af støv, at det meste af dens lys er skjult, " sagde Prochaska.