Novinky

Na čem pracujeme: Zdroje záření Lyman-α: Klíč k pochopení minulosti vesmíru?

V dávné minulosti vesmíru sehrála důležitou roli tzv. reionizace, kdy se po zformování prvních hvězd proměnil molekulární plyn v plyn ionizovaný, přičemž v tomto stavu zůstal ve velké míře dodnes. Předpokládá se, že tato událost zásadně ovlivnila vznik a vývoj prvních zárodků galaxií. Bohužel není zřejmé, jaké typy objektů byly skutečně zdroji zmíněné reionizace. Byly to kvazary, nebo galaxie, v nichž docházelo k intenzivní tvorbě hvězd? Odpovědi na tyto otázky hledal tým, v němž důležitou roli sehrála Ivana Orlitová z ASU. 

Je to možná překvapivé, ale poměrně záhy po Velkém třesku, trvalo to snad pouhých půl milionu roků, klesla teplota v prudce rozepnutém vesmíru pod hranici přibližně 3000 K. Pod tuto teplotu původně horký ionizovaný plyn rekombinuje a stává se plynem neutrálním. Neutrální plyn září jen nepatrně na vlnové délce 21 cm a ve Vesmíru se tak započalo období temna. To bylo přerušeno až po dalších přibližně 250 milionech let, kdy se gravitačním kolapsem zformovaly první hvězdy. Ty se staly zdroji intenzivního záření v ultrafialové oblasti spektra, které opětovně ionizovalo neutrální plyn.

Jaké přesně objekty mohly za reionizaci není zcela zřejmé. Hlavní podezřelí jsou dva. Jednak kvazary, aktivní jádra hmotných galaxií, která vyzařují do prostoru velké množství vysokoenergetických fotonů. Jako zdroje by byly kvazary dobré, bohužel se až donedávna zdálo, že jich bylo ve vesmíru málo na to, aby mohly být efektivním zdrojem opětovné ionizace vesmíru. Druhým kandidátem jsou hmotné hvězdy v galaxiích, především horké hvězdy spektrálního typu O a B. Tyto masivní hvězdy jsou jistě četnějšími zdroji ionizujícího záření než kvazary, otevřenou otázkou ovšem zůstává, kolik vhodných vysokoenergetických fotonů vůbec může uniknout z mezihvězdného prostředí v galaxiích. Je také obtížné je přímo pozorovat.

Autoři představované práce se zaměřili zejména na druhou z hypotéz. Studovali záření v čáře Lyman-α, tedy spektrální čáře vodíku v ultrafialové oblasti, která vzniká přeskokem elektronu z druhé energetické hladiny na první. Lyman-α je v principu nejsilnější čarou vodíku a zároveň je vodík nejhojnějším prvkem ve vesmíru. Z tohoto důvodu je Lyman-α nejvhodnější spektrální oblastí pro pozorování galaxií ve vzdáleném vesmíru (s kosmologickým posuvem z>2, kdy pozorujeme objekty mladší než 3 miliardy let).

Ovšem stejně jako je vysoká pravděpodobnost přeskoku elektronu mezi hladinami, a tedy vzniku záření Lyman-α, jež původně vzniklo v plynu v okolí horkých hvězd, je vysoká i pravděpodobnost jeho následného pohlcení jiným atomem vodíku v okolí. Záření Lyman-α tedy putuje složitou cestou skrze mezihvězdnou látku, prodělává násobné rozptyly a ne vždy se dostane z galaxie ven. Pozorovat pak můžeme jen tu jeho část, která doputovala do oblasti s dostatečně nízkou hustotou plynu a prachu. Zároveň se při interakci s atomy v pohybu poněkud změní frekvence záření díky Dopplerovu jevu. Při změněné frekvenci je pak pravděpodobnost pohlcení menší a záření může z galaxie uniknout snadněji. Záření Lyman-α k nám tedy zpravidla dorazí ztlumené, se změněným spektrem a z jiných míst, než kde bylo vytvořeno. Ke správné interpretaci výsledků je pak třeba použít numerické modely.

V teoretickém článku Verhamme a kol. (2015) autoři předpověděli, že pokud z galaxie uniká ionizující záření, měly by i její vlastnosti být speciální. Aby mohlo ionizující záření uniknout, musí v galaxii být jen malé množství neutrálního plynu. Ten stejný plyn ovlivňuje i Lyman-α, a ta by tedy měla být změněna jen málo. V novém článku Verhamme a kol. (2016) autoři ověřují tyto teoretické předpovědi na pěti blízkých galaxiích, tzv. „zelených hrášcích“, ve kterých již dříve detekovali ionizující záření (Izotov a kol. 2016) jinou metodou.

Pozorování provedená pomocí Hubbleova kosmického dalekohledu potvrzují, že čím více ionizujícího záření z galaxie uniká, tím silnější je také Lyman-α. Také předpověď, že spektrum čáry Lyman-α je po průchodu plynem v těchto galaxiích méně změněné (čára je výrazně užší) než v galaxiích běžných,
se na datech potvrdilo.

Detekce ionizujícího záření se v posledních dvaceti letech ukázala jako komplikovaná a málo pravděpodobná, zejména ve vzdáleném vesmíru. Tato série článků ukazuje, že Lyman-α, nejpoužívanější kosmologický nástroj, může sloužit jako jeho významná nepřímá diagnostika.

Michal Švanda

Citace prací

[1] Verhamme, A., Orlitová, I. a kol., Lyman-alpha spectral properties of five newly discovered Lyman continuum emitters, Astronomy&Astrophysics v tisku, preprint arXiv:1609.03477
[2] Verhamme, A., Orlitová, I. a kol., Using Lyman-α to detect galaxies that leak Lyman continuum, Astronomy&Astrophysics 578 (2015) id.A7, preprint arXiv:1404.2958
[3] Izotov, Y. I. a kol., Detection of high Lyman continuum leakage from four low-redshift compact star-forming galaxies, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 461 (2016) 3683-3701, preprint arXiv:1605.05160

Kontakt: Mgr. Ivana Orlitová, Ph. D., ivana.orlitova@asu.cas.cz