Opdagelsen peger på oprindelsen af ​​mystisk ultraviolet stråling

Milliarder af lysår væk, gigantiske skyer af brintgas producerer en særlig form for stråling, en type ultraviolet lys kendt som Lyman-alfa-emissioner. De enorme skyer, der udsender lyset, er Lyman-alfa-klatter (LAB'er). LAB'er er flere gange større end vores Mælkevejs galakse, blev dog først opdaget for 20 år siden. En ekstremt kraftfuld energikilde er nødvendig for at producere denne stråling - tænk, at energiproduktionen svarer til milliarder af vores sol - men forskere diskuterer, hvad denne energikilde kunne være.

En ny undersøgelse, der blev offentliggjort den 9. marts i Natur astronomi giver bevis for, at energikilden er i centrum af stjernedannende galakser, som LAB'erne eksisterer omkring.

Undersøgelsen fokuserer på Lyman-alpha blob 6 (LAB-6), hvis lys blev udsendt for 10,7 milliarder år siden. Det samarbejdende team opdagede en unik egenskab ved LAB-6 - dens brintgas så ud til at falde indad på sig selv. LAB-6 er det første LAB med stærke beviser for denne såkaldte indfaldende gassignatur. Den indfaldende gas var lav i overflod af metalliske elementer, hvilket tyder på, at LAB's indfaldende brintgas stammer fra det intergalaktiske medium, snarere end fra selve den stjernedannende galakse.

Mængden af ​​indfaldende gas er for lav til at drive den observerede Lyman-alfa-emission. Resultaterne viser, at den centrale stjernedannende galakse er den primære energikilde, der er ansvarlig for Lyman-alfa-emission. De stiller også nye spørgsmål om strukturen af ​​LAB'erne.

"Dette giver os et mysterium. Vi forventer, at der skulle være indfaldende gas omkring stjernedannende galakser - de har brug for gas til materialer, " sagde Zheng Zheng, lektor i fysik og astronomi ved University of Utah og medforfatter til undersøgelsen. Zheng deltog i bestræbelserne på at analysere dataene og ledede den teoretiske fortolkning sammen med U-kandidatstuderende Shiyu Nie. "Men dette ser ud til at være den eneste Lyman-alfa-klat med gas, der falder ind. Hvorfor er dette så sjældent?"

Forfatterne brugte Very Large Telescope (VLT) ved European Southern Observatory (ESO) og Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) til at opnå dataene. Hovedforfatter Yiping Ao fra Purple Mountain Observatory, Det kinesiske videnskabsakademi observerede første gang LAB-6-systemet for over et årti siden. Han vidste, at der var noget særligt ved systemet allerede dengang, baseret på den ekstreme størrelse af dens brintgasklat. Han greb chancen for at se nærmere.

"Heldigvis vi var i stand til at få de nødvendige data til at fange den molekylære sammensætning fra ALMA, fastlægger galaksens hastighed, " sagde han. "Det optiske teleskop VLT fra ESO gav os den vigtige spektrale lysprofil af Lyman-alfa-emission."

Brints lys afslører sin hemmelighed

Universet er fyldt med brint. Brintelektronen kredser om atomets kerne på forskellige energiniveauer. Når et neutralt brintatom bliver sprængt med energi, elektronen kan boostes til en større bane med et højere energiniveau. Så kan elektronen hoppe fra et baneniveau til et andet, som producerer en foton. Når elektronen bevæger sig til den inderste bane fra kredsløbet direkte tilstødende, det udsender en foton med en bestemt bølgelængde i det ultraviolette spektrum, kaldet en Lyman-alfa-emission. En kraftig energikilde er påkrævet for at aktivere brint nok til at producere Lyman-alfa-emissionen.

Forfatterne opdagede den indfaldende gasfunktion ved at analysere kinematik af Lyman-alfa-emissionerne. Efter at Lyman-alfa-fotonen er udsendt, det møder et miljø fyldt med brintatomer. Det styrter ind i disse atomer mange gange, som en bold, der bevæger sig i en flippermaskine, før de undslipper miljøet. Denne udgang får emissionen til at strække sig udad over store afstande.

Alt dette hoppe rundt ændrer ikke kun lysbølgens retning, men også dens frekvens, da gassens bevægelse forårsager en Doppler-effekt. Når der strømmer gas ud, Lyman-alfa-emissionen skifter til længere, rødere bølgelængde. Det modsatte opstår, når der strømmer gas ind - Lyman-alfa-emissionens bølgelængde ser ud til at blive kortere, skifter det til et mere blåt spektrum.

Forfatterne af dette papir brugte ALMA-observationen til at lokalisere den forventede bølgelængde af Lyman-alfa-emissionen fra Jordens prospektive, hvis der ikke var nogen hoppende effekt for Lyman-alfa-fotonerne. Med VLT-observationen, de fandt ud af, at Lyman-alfa-emission fra denne klat skifter til længere bølgelængder, indebærer gastilstrømning. De brugte modeller til at analysere spektrumdata og studere brintgas kinematik.

Den indfaldende gas indsnævrer Lyman-alfa-strålingens oprindelse

LAB'er er forbundet med gigantiske galakser, der danner stjerner med en hastighed på hundreder til tusindvis af solmasser om året. Kæmpe haloer af Lyman-alfa-emissioner omgiver disse galakser, danner Lyman-alfa-gasklatter hundredtusindvis af lysår på tværs med en effekt svarende til omkring 10 milliarder sole. Bevægelsen i gasklatterne kan fortælle dig noget om galaksens tilstand.

Indfaldende gas kan opstå på flere forskellige måder. Det kan være anden fase af en galaktisk springvand - hvis massive stjerner dør, de eksploderer og skubber gas udad, som senere falder indad. En anden mulighed er en kold strøm - der er filamenter af brint, der flyder mellem himmellegemer, som kan trækkes ind i midten af ​​den potentielle brønd, skabe den indfaldende gas funktion.

Forfatternes model antyder, at den indfaldende gas i denne LAB kommer fra sidstnævnte scenarie. De analyserede formen af ​​Lyman-alpha lysprofilen, hvilket indikerer meget lidt metallisk støv. I astronomi, metaller er alt tungere end helium. Stjerner producerer alle de tunge grundstoffer i universet - når de eksploderer, de producerer metalliske elementer og spreder dem over det intergalaktiske rum.

"Hvis gassen var kommet fra denne galakse, du burde se flere metaller. Men denne, der var ikke mange metaller, " sagde Zheng. "Indikationen er, at gassen ikke er forurenet med elementer fra denne stjerneformation."

Derudover deres model indikerer, at den omgivende gas kun producerer den energieffekt, der svarer til to solmasser om året, alt for lav til mængden for den observerede Lyman-alfa-emission.

Resultaterne giver stærke beviser for, at den stjernedannende galakse er den største bidragyder til Lyman-alfa-emissionen, mens den indfaldende gas virker til at forme dens spektrale profil. Imidlertid, det svarer ikke helt på spørgsmålet.

"Der kan stadig være andre muligheder, " sagde Ao. "Hvis galaksen har et super massivt sort hul i midten, det kan udsende energiske fotoner, der kunne rejse langt nok til at producere emissionen."

I fremtidige undersøgelser, forfatterne ønsker at pirre den komplicerede gasdynamik fra hinanden for at finde ud af, hvorfor indfaldende gas er sjældent for LAB'er. Den indstrømmende gas kan afhænge af systemets orientering, for eksempel. De ønsker også at bygge mere realistiske modeller for at forstå bevægelserne af Lyman-alfa-emissionsfotoner, når de styrter ind i atomer.