Галактические ветры от взрывающихся звезд могут блокировать излучение, которое помогло преобразовать раннюю Вселенную

Ветры от взрывающихся звезд могут блокировать излучение, которое они должны были выпустить в межгалактическое пространство. Наблюдения Хаббла за шестью компактными галактиками показали, что более быстрые истечения сопровождаются меньшей ускользающей частью ионизирующего водорода света. Этот результат бросает вызов общепринятому объяснению того, как молодые галактики помогли преобразовать раннюю Вселенную.

«По сути, то, как эти галактики испускали ионизирующее излучение, — это не то, что мы думали», — сказал Карр. Наблюдения говорят о том, что окно спасения, в котором преобладают молодые звезды, прежде чем установится сильный ветер, вызванный сверхновыми. Однако исследователи подчеркивают, что их галактики являются близкими аналогами, и их результаты не описывают весь период существования радиации.

На протяжении большей части своей ранней истории Вселенная содержала большое количество нейтрального водорода между галактиками. Энергичные ультрафиолетовые фотоны могут отрывать электроны от атомов водорода, оставляя после себя ионизированный газ. Это преобразование, названное реионизацией, постепенно изменило состояние межгалактической материи в течение первого миллиарда лет существования Вселенной.

Производство этих фотонов было лишь частью задачи. Излучение также должно было покинуть газ и пыль, окружающие его источники внутри галактик. Фотоны, поглощенные локально, не могли способствовать ионизации гораздо больших пространств между галактиками.

Астрономы называют ионизирующее излучение водорода континуумом Лаймана, часто сокращаемым до LyC. Его доля выхода измеряет долю того излучения, которое покидает галактику. Вклад галактики в реионизацию зависит как от того, сколько ионизирующего света она производит, так и от того, сколько ее выходит наружу.

Одна влиятельная фотография показывает, что сверхновые играют важную роль в расчистке пути. Взрывы вызывают ветры, которые могут разрушать облака и открывать каналы с более низкой плотностью в межзвездной среде, материале между звездами. Новые наблюдения показывают, что на рассмотренных здесь ранних стадиях накопленный ветром материал может вместо этого увеличивать поглощение.

Команда использовала спектрограф космического происхождения Хаббла, чтобы получить подробные ультрафиолетовые спектры шести галактик. Они выбрали цели из расширенного обзора Лайманского континуума с низким красным смещением. Галактики охватывают разные фракции ускользания, но имеют в целом схожие звездные массы, темпы звездообразования и химическое содержание.

Эти сходства помогли ограничить различия в условиях, вызывающих ветры. Исследователи также выбрали компактные галактики с интенсивным звездообразованием, упакованные в небольшие области. Такие свойства часто наблюдаются среди сильных излучателей ускользающего ионизирующего излучения и позволяют провести полезное сравнение с некоторыми ранними галактиками.

Спектр разделяет свет по длине волны, выявляя признаки звезд и промежуточного газа. Газ, движущийся на ветру, поглощает волны определенной длины, оставляя следы, форма и сдвиг которых раскрывают его движение. Команда изучила поглощение водорода, азота и кислорода, чтобы проследить различные температурные компоненты потоков.

Чтобы отличить ветер галактики от ветров вокруг отдельных звезд, потребовался еще один шаг. Исследователи смоделировали ультрафиолетовый свет, излучаемый звездным населением, и отделили ожидаемые особенности от дополнительного поглощения. Их основные тенденции сохранились, когда они использовали другой метод нормализации, поддерживающий анализ, выходящий за рамки одной конкретной спектральной подгонки.

Самые сильные утечки обычно содержали более молодые ультрафиолетово-яркие звездные популяции с легким возрастом менее четырех миллионов лет. Более слабые источники утечки содержали более старое население с более сильными признаками галактического оттока. Сравнение показывает, что выброс радиации снижается по мере того, как стареют звездные вспышки и ветры собирают больше нейтрального материала.

Это предполагаемая последовательность событий в разных галактиках, а не запись эволюции одной галактики. Оценки возраста также суммируют смеси звездного населения. Авторы предупреждают, что их измерения не позволяют выявить плавную и непрерывную связь между фракцией ускользания и возрастом звезды на протяжении всего изучаемого периода.

Поглощение нейтрального водорода дало показательную деталь. Вдоль наблюдаемых линий наблюдения водородные элементы указывали на почти полное покрытие нейтральным газом, даже в случае сильных утечек. Различия в том, сколько материала лежало на этих путях, а не просто в том, покрывал ли их газ, помогли объяснить разные фракции улета.

Закрытая линия обзора не обязательно блокирует каждый ионизирующий фотон. Достаточно маленький столб газа может передать больше радиации, чем более толстый столб, покрывающий ту же площадь. Спектры указывали на увеличение плотности столба водорода и содержания пыли по мере развития ветра, что делало побег все труднее.

Исследователи также объединили спектры более широкой группы компактных галактик с интенсивным звездообразованием в родительском обзоре. Эти средние значения в целом подтверждают тенденции отдельных галактик, хотя некоторые различия остаются неразличимыми в пределах неопределенностей. Суммы улучшают интерпретацию, не заменяя необходимости более точных измерений отдельных систем.

Предпочтительное объяснение начинается с излучения и звездных ветров очень молодых массивных звезд. Эти процессы могут вытеснять окружающий материал и создавать маршруты с относительно низкой плотностью и небольшим количеством пыли. Сгущение газа также может помочь фотонам уйти до того, как сформируется значительный поток, вызванный сверхновой.

В статье не требуется полного отсутствия сверхновых на этой ранней стадии. Несколько взрывов самых массивных звезд могли бы способствовать этому. Его главное различие заключается в том, доминирует ли обратная связь молодой звезды или установившийся галактический ветер с большой массой в условиях побега.

По мере возникновения большего количества сверхновых они могут разрушать облака и прорезать каналы, а также выталкивать дополнительный нейтральный газ в отток. Пыль и растущий столб газа могут затем свести на нет пользу от этих отверстий. Результатом является более низкий средний побег в течение рассматриваемого здесь раннего эволюционного периода.

Такая интерпретация требует более тщательного подхода к звездной обратной связи в симуляциях. Модели часто предсказывают, что пики ускользания после начала активности сверхновых, тогда как эти наблюдения говорят в пользу более раннего пика. Авторы предполагают, что ограниченное разрешение и неполное рассмотрение физики мелкомасштабного газа могут способствовать разногласиям.

Шесть целей не представляют все галактики, существовавшие во время реионизации. Они перекрывают ранние галактики по компактности и интенсивному звездообразованию, но занимают разные части распределения массы и химического состава. Поэтому применение результата к древней Вселенной требует проверки того, как эти различия меняют баланс обратной связи.

Ультрафиолетовые наблюдения также не могут измерить самую горячую составляющую ветра, для чего необходимы рентгеновские наблюдения. Команда имела такие данные только по одной цели и не обнаружила никаких рентгеновских лучей. Этот результат соответствует молодости, но не заменяет исследование горячего газа по всей выборке.

Более поздние этапы могут полностью изменить взаимосвязь между ветрами и побегом. Продукты двойных звезд могут продолжать излучать ионизирующий свет после смерти самых массивных звезд, потенциально в течение 10–50 миллионов лет. В течение этого периода ветры могут достаточно эффективно очищать материал, чтобы помочь радиации снова уйти.

Карр и его коллеги ищут дополнительные наблюдения Хаббла, чтобы проверить предложенную раннюю последовательность. Более подробные спектры также дадут ориентиры для моделирования, отслеживающего как образование, так и поглощение фотонов. Остается вопрос, обеспечило ли это короткое окно раннего спасения, охватившее более широкую популяцию галактики, достаточно радиации, чтобы помочь реионизировать Вселенную.

Эти исследования связывают наблюдения ранней Вселенной с близлежащими галактиками, излучающими радиацию, и физическими моделями, используемыми для объяснения звездных ветров.

Ветер от ядра галактики со звездообразованием
Эта основополагающая модель объясняет, как энергия энергичного звездообразования может вызвать галактический ветер. Это обеспечивает контекст для физических предположений, лежащих в основе более поздних исследований истечения и их воздействия на окружающий газ. (Природа, сентябрь 1985 г.)