Slučování galaxií je možným řešením záhady raného vesmíru

Jedna z klíčových misí vesmírného teleskopu Jamese Webba

Jednou z klíčových úloh vesmírného teleskopu Jamese Webba je zkoumání raného vesmíru. Bezkonkurenční rozlišení a citlivost Webbova přístroje NIRCam poprvé odhalily prostředí galaxií ve velmi raném vesmíru. To patrně vyřešilo jednu z největších záhad v astronomii - proč astronomové detekují světlo z atomů vodíku, které mělo být zcela absorbováno neutrálním plynem, který se vytvořil po Velkém třesku. Tato nová Webbova pozorování našla malé, slabé objekty obklopující samotné galaxie, které ukazují "nevysvětlitelné" emise vodíku. Ve spojení s nejmodernějšími počítačovými simulacemi galaxií v raném vesmíru tato pozorování ukázala, že chaotické slučování sousedních galaxií je zdrojem této emise vodíku.

Světlo se šíří konečnou rychlostí (asi 300 000 kilometrů za sekundu). To znamená, že čím dále je galaxie, tím déle trvá jejímu světlu, než se dostane do naší Sluneční soustavy. Výsledkem je, že pozorování nejvzdálenějších galaxií nám umožňuje studovat vesmír tak, jak tomu bylo v dávné minulosti. Aby astronomové mohli studovat velmi raný vesmír, potřebují výjimečně výkonné dalekohledy, které jsou schopny pozorovat velmi vzdálené - a tedy velice slabé - galaxie. Jednou z klíčových schopností Webba je možnost pozorovat tyto velmi vzdálené galaxie, a tedy zkoumat ranou historii vesmíru.

Nejranější galaxie byly místy aktivního a překotného formování hvězd a jako takové byly bohatými zdroji světla vyzařovaného atomy vodíku nazývaného Lyman-alfa emise (emise o vlnové délce 121,567 nanometrů, když elektron v excitovaném atomu vodíku klesne z excitovaného stavu na orbitálu n = 2 dolů do základního stavu n = 1).

Během epochy reionizace se začaly tvořit hustší oblaka plynu, která vytvořila hvězdy a nakonec celé galaxie, jejichž světlo postupně reionizovalo plynný vodík. Avšak tyto oblasti aktivní tvorby hvězd (hvězdné porodnice) obklopovalo obrovské množství neutrálního vodíku. Prostor mezi galaxiemi byl navíc vyplněn větším množstvím tohoto neutrálního plynu, než je tomu dnes.

Plyn může velmi účinně absorbovat a rozptylovat tento druh vodíkové emise (neutrální plynný vodík se skládá z atomů vodíku, které jsou v nejnižším energetickém stavu, každý se svým elektronem na orbitálu n = 1), takže astronomové dlouho předpovídali, že hojná emise Lyman-? uvolněná ve velmi raném vesmíru by dnes neměla být pozorovatelná. Tato teorie však ne vždy obstála, protože astronomové již dříve pozorovali příklady velmi rané emise vodíku. To představuje záhadu: jak je možné, že tato emise vodíku - která by měla být již dávno absorbována nebo rozptýlena - je pozorována?

Průlom týmu přišel díky Webbově kombinaci úhlového rozlišení a citlivosti. Pozorování pomocí Webbova přístroje NIRCam byla schopna rozlišit menší, slabší galaxie, které obklopují jasné galaxie, z nichž byla detekována "nevysvětlitelná" emise vodíku. Jinými slovy, okolí těchto galaxií se zdá být mnohem rušnějším místem, než jsme si dříve mysleli, plné malých, slabých galaxií. Zásadní je, že tyto menší galaxie se vzájemně ovlivňovaly a slučovaly. Webb odhalil, že sloučení galaxií hraje důležitou roli při vysvětlení záhadné emise z nejstarších galaxií.

Tým poté použil nejmodernější počítačové simulace k prozkoumání fyzikálních procesů, které by mohly vysvětlit jejich výsledky. Zjistili, že rychlé nahromadění hvězdné hmoty prostřednictvím sloučení galaxií způsobilo silné emise vodíku a usnadnilo únik tohoto záření kanály zbavenými hojného neutrálního plynu. Takže vysoká míra slučování dříve nepozorovaných menších galaxií představovala přesvědčivé řešení dlouhodobé hádanky "nevysvětlitelné" časné emise vodíku.

• Zdroj: Webb reveals that galaxy mergers are the solution to early Universe mystery