Galaksi Birleşmeleri Erken Evrenin Gizemini Aydınlatıyor

En önemli görevlerden biri NASA/ESA/CSA James Webb Uzay Teleskobu erken Evreni araştırmaktır. Şimdi, Webb’in NIRCam cihazının eşsiz çözünürlüğü ve hassasiyeti, ilk kez, Evrenin çok erken dönemlerindeki galaksilerin yerel ortamında nelerin bulunduğunu ortaya çıkardı.

Bu, astronomideki en kafa karıştırıcı gizemlerden birini çözdü: Gökbilimciler, hidrojen atomlarından gelen ışığın, Dünya’nın patlamasından sonra oluşan bozulmamış gaz tarafından tamamen engellenmesi gereken ışığı neden tespit ettiklerini çözdü. Büyük patlama.

Astronomik Bir Gizemi Çözmek

Bu yeni Webb gözlemleri, galaksileri çevreleyen ve ‘açıklanamaz’ hidrojen emisyonunu gösteren küçük, sönük nesneler buldu. Evrenin erken dönemlerindeki galaksilerin en gelişmiş simülasyonlarıyla birlikte yapılan gözlemler, bu hidrojen emisyonunun kaynağının, bu komşu galaksilerin kaotik birleşmesinin olduğunu gösterdi.

Işık sınırlı bir hızla hareket eder (saniyede 300.000 km), yani bir galaksi ne kadar uzaktaysa, ışığın Güneş Sistemimize ulaşması da o kadar uzun sürer. Sonuç olarak, en uzak galaksilerin gözlemleri yalnızca Evrenin en uzak noktalarını araştırmakla kalmıyor, aynı zamanda Evreni geçmişte olduğu gibi incelememize de olanak sağlıyor.

Bu görüntü, diğer şeylerin yanı sıra, uyarılmış hidrojen atomlarından (Lyman-α emisyonu) ışık emisyonunun görüldüğü erken Evren’deki parlak bir galaksi olan EGSY8p7 galaksisini göstermektedir. Galaksi, CEERS araştırmasında Webb tarafından incelenen genç galaksilerden oluşan bir alanda tespit edildi. Alttaki iki panelde, Webb’in yüksek hassasiyeti bu uzak galaksiyi iki yoldaş galaksisiyle birlikte seçiyor; önceki gözlemlerde onun yerine sadece bir büyük galaksi görüldü. Katkıda bulunanlar: ESA/Webb, NASA ve CSA, S. Finkelstein (UT Austin), M. Bagley (UT Austin), R. Larson (UT Austin), A. Pagan (STScI), C. Witten, M. Zamani (ESA) /Webb)

Webb’in Yetenekleri ve Erken Galaksi Gözlemleri

Evrenin çok erken dönemlerini incelemek için gökbilimciler, çok uzak ve dolayısıyla çok sönük galaksileri gözlemleyebilecek olağanüstü güçlü teleskoplara ihtiyaç duyuyor. Webb’in en önemli yeteneklerinden biri, bu çok uzak galaksileri gözlemleyebilme ve dolayısıyla Evrenin erken tarihini araştırabilme yeteneğidir. Uluslararası bir gökbilimciler ekibi, Webb’in inanılmaz kapasitesini astronomide uzun süredir devam eden bir gizemi çözmek için mükemmel bir şekilde kullandı.

En eski gökadalar güçlü ve aktif yıldız oluşum bölgeleriydi ve bu nedenle Lyman-a emisyonu adı verilen hidrojen atomları tarafından yayılan bir tür ışık açısından zengin kaynaklardı.^[1]

Ancak yeniden iyonlaşma döneminde^[2] Aktif yıldız oluşumunun bu alanlarını (yıldız doğumevleri olarak da bilinir) muazzam miktarda nötr hidrojen gazı çevreliyordu. Üstelik galaksiler arasındaki boşluk, bugün olduğundan daha fazla bu nötr gazla doluydu. Gaz, bu tür hidrojen emisyonunu çok etkili bir şekilde emebilir ve dağıtabilir.^[3] bu nedenle gökbilimciler uzun zamandır, Evrenin ilk dönemlerinde salınan bol miktardaki Lyman-α emisyonunun bugün gözlemlenemeyeceğini tahmin ediyorlardı.

Ancak bu teori her zaman incelemeye dayanamadı, çünkü çok erken hidrojen emisyonu örnekleri daha önce gökbilimciler tarafından gözlemlenmişti. Bu durum bir gizem ortaya çıkardı: Uzun zaman önce soğurulması veya saçılması gereken bu hidrojen emisyonu nasıl gözlemleniyor? Cambridge Üniversitesi’nden araştırmacı ve yeni çalışmanın baş araştırmacısı Callum Witten şöyle açıklıyor:

“Önceki gözlemlerin sunduğu en kafa karıştırıcı konulardan biri, Evren’in ilk dönemlerindeki hidrojen atomlarından gelen ışığın saptanmasıydı; bu ışığın, Büyük Patlama’dan sonra oluşan saf nötr gaz tarafından tamamen engellenmiş olması gerekirdi. Bu ‘açıklanamaz’ emisyonun büyük kaçışını açıklamak için daha önce birçok hipotez öne sürülmüştü.”

Bu görüntü, diğer şeylerin yanı sıra, uyarılmış hidrojen atomlarından (Lyman-α emisyonu) ışık emisyonunun görüldüğü erken Evren’deki parlak bir galaksi olan EGSY8p7 galaksisini göstermektedir. Webb’in yüksek hassasiyeti, daha önceki gözlemlerde onun yerine sadece bir büyük galaksinin görüldüğü bu uzak galaksiyi iki yoldaş galaksisiyle birlikte seçiyor. Katkıda bulunanlar: ESA/Webb, NASA & CSA, C. Witten, M. Zamani (ESA/Webb)

Galaksi Birleşmeleri ve Hidrojen Emisyonu

Ekibin atılımı, Webb’in açısal çözünürlük ve duyarlılığın olağanüstü birleşimi sayesinde gerçekleşti. Webb’in NIRCam cihazıyla yapılan gözlemler, ‘açıklanamaz’ hidrojen emisyonunun tespit edildiği parlak galaksileri çevreleyen daha küçük, daha sönük galaksileri çözümlemeyi başardı. Başka bir deyişle, bu galaksilerin çevresi daha önce düşündüğümüzden çok daha yoğun, küçük, sönük galaksilerle dolu bir yer gibi görünüyor. Daha da önemlisi, bu küçük galaksiler birbirleriyle etkileşime giriyor ve birleşiyordu ve Webb, galaksi birleşmelerinin en eski galaksilerden gelen gizemli emisyonun açıklanmasında önemli bir rol oynadığını ortaya çıkardı. Stanford Üniversitesi’nden ekip üyesi Sergio Martin-Alvarez şunu ekliyor:

“Hubble’ın yalnızca büyük bir galaksiyi gördüğü yerde, Webb etkileşim halindeki daha küçük galaksilerden oluşan bir küme görüyor ve bu keşif, ilk galaksilerin bazılarından gelen beklenmedik hidrojen emisyonuna ilişkin anlayışımız üzerinde büyük bir etki yarattı.”

Bu videoda gösterilen Azahar simülasyonları, Stanford Üniversitesi ile Cambridge Üniversitesi arasındaki işbirliğinin sonucudur ve DIRAC UK HPC tesislerindeki Cosma süper bilgisayarlarında oluşturulmuştur. Kredi bilgileri: S. Martin-Alvarez

Ekip daha sonra sonuçlarını açıklayabilecek fiziksel süreçleri keşfetmek için en son teknolojiye sahip bilgisayar simülasyonlarını (yukarıdaki videoda bir örneği vurgulanmıştır) kullandı. Galaksi birleşmeleri yoluyla yıldız kütlesinin hızla birikmesinin hem güçlü hidrojen emisyonuna yol açtığını hem de bu radyasyonun bol miktardaki nötr gazdan arındırılmış kanallar yoluyla kaçışını kolaylaştırdığını buldular. Dolayısıyla, daha önce gözlemlenmemiş daha küçük gökadaların yüksek birleşme oranı, uzun süredir devam eden ‘açıklanamayan’ erken hidrojen emisyonu bulmacasına zorlayıcı bir çözüm sundu.

Gelecekteki Araştırmalar ve Galaksinin Evrimini Anlamak

Ekip, hidrojen emisyonunun bu değişen sistemlerden nasıl atıldığına dair anlayışlarını geliştirmeye devam etmek amacıyla, birleşmenin çeşitli aşamalarındaki galaksilerle takip gözlemleri planlıyor. Sonuçta bu onların galaksi evrimi konusundaki anlayışımızı geliştirmelerini sağlayacak.

Bu bulgular 18 Ocak’ta yayınlandı. Doğa Astronomi.

Notlar

1. Lyman-α emisyonu, uyarılmış bir hidrojen içindeki elektronun 121.567 nanometre dalga boyunda yaydığı ışıktır. atom n = 2 yörüngesindeki uyarılmış durumdan temel durumuna n = 1’e (atomun sahip olabileceği en düşük enerji durumu) düşer. Kuantum fiziği, elektronların yalnızca çok spesifik enerji durumlarında var olabileceğini belirtir ve bu, belirli enerji geçişlerinin (örneğin, bir hidrojen atomundaki elektronun n = 2 yörüngesinden n = 1 yörüngesine düşmesi gibi) dalga boyuyla tanımlanabileceği anlamına gelir. Bu geçiş sırasında yayılan ışık. Lyman-α emisyonu astronominin birçok dalında önemlidir, bunun nedeni kısmen hidrojenin Evrende çok bol olması ve ayrıca hidrojenin tipik olarak devam eden aktif yıldız oluşumu gibi enerjik süreçler tarafından uyarılmasıdır. Buna göre Lyman-α emisyonu, aktif yıldız oluşumunun gerçekleştiğinin bir işareti olarak kullanılabilir.
2. Yeniden iyonlaşma dönemi, Evren’in tarihinde rekombinasyondan (Büyük Patlama’dan sonraki ilk aşama) sonra gerçekleşen çok erken bir aşamaydı. Rekombinasyon sırasında Evren, elektronların ve protonların nötr hidrojen atomları oluşturmak üzere birleşmeye başlamasına yetecek kadar soğudu. Yeniden iyonlaşma sırasında, daha yoğun gaz bulutları oluşmaya başladı, yıldızlar ve sonunda ışığı yavaş yavaş hidrojen gazını yeniden iyonlaştıran tüm galaksiler oluştu.
3. Nötr hidrojen gazı, her birinin elektronu n = 1 yörüngesinde olan, olabilecekleri en düşük enerji durumundaki hidrojen atomlarından oluşur. Lyman-α emisyonu sırasında bir hidrojen atomu tarafından yayılan ışık, atomik geçiş enerjisini taşıdığı için n = 2 yörüngesinden n = 1’e kadar nötr bir hidrojen atomuna çarptığında, atomu iyonize etmek ve elektronunu bir sonraki uygun yörüngeye taşımak için tam olarak doğru miktarda enerjiye sahip olur. Bu, nötr gazın Lyman-α emisyonunu çok kolay bir şekilde emdiği ve bloke ettiği anlamına gelir.

Referans: Callum Witten, Nicolas Laporte, Sergio Martin-Alvarez, Debora Sijacki, Yuxuan Yuan, Martin G. Haehnelt, William M. Baker, James S. Dunlop, Richard S tarafından yazılan “Lyman-α emisyonunun yeniden iyonlaşma çağının derinliklerinde deşifre edilmesi” Ellis, Norman A. Grogin, Garth Illingworth, Harley Katz, Anton M. Koekemoer, Daniel Magee, Roberto Maiolino, William McClymont, Pablo G. Pérez-González, Dávid Puskás, Guido Roberts-Borsani, Paola Santini ve Charlotte Simmonds, 18 Ocak 2024, Doğa Astronomi.
DOI: 10.1038/s41550-023-02179-3

Daha fazla bilgi

James Webb Uzay Teleskobu şimdiye kadar uzaya fırlatılan en büyük ve en güçlü teleskoptur. Uluslararası bir işbirliği anlaşması kapsamında ESA, Ariane 5 fırlatma aracını kullanarak teleskopun fırlatma hizmetini sağladı. Ortaklarla birlikte çalışan ESA, Webb misyonu için Ariane 5 uyarlamalarının geliştirilmesinden ve kalifikasyonundan ve fırlatma hizmetinin Arianespace tarafından satın alınmasından sorumluydu. ESA ayrıca, ulusal olarak finanse edilen Avrupa Enstitülerinden oluşan bir konsorsiyum (MIRI Avrupa Konsorsiyumu) ​​ile ortaklaşa tasarlanan ve inşa edilen güçlü spektrograf NIRSpec’i ve orta kızılötesi cihaz MIRI’nin %50’sini de sağladı. JPL ve Arizona Üniversitesi.

Webb, NASA, ESA ve Kanada Uzay Ajansı (CSA) arasındaki uluslararası bir ortaklıktır.