На знімках молодого Всесвіту з телескопа James Webb яскравих галактик виявилося більше, ніж передбачали моделі. За новими комп’ютерними розрахунками, ультрафіолетове випромінювання молодих зоряних скупчень, імовірно, виносило розріджений газ і пил за межі галактик. Тож світло їхніх зір доходило до нас із меншими втратами. Зореутворенню в щільних хмарах це майже не заважало.
Повторювані поштовхи
Ультрафіолетове випромінювання молодих зір іонізує водень довкола них. Коли електрон знову приєднується до іона водню або зіштовхується з атомом водню, газ випромінює фотони Лайман-альфа, тобто ультрафіолет на найсильнішій спектральній лінії водню з довжиною хвилі близько 122 нанометрів.
Поглинувши більшість видів випромінювання, атом чи порошинка пилу віддають енергію на іншій довжині хвилі, і вдруге її вже майже ніщо не затримує. А атом водню майже миттєво повертає фотон Лайман-альфа на тій самій довжині хвилі, тож сусідній атом може знову його поглинути. Через це фотон надовго застрягає в газі.
Кожне поглинання дає газу маленький поштовх, і разом вони складаються в сильний тиск. За словами Шяма Менона, якого цитує Phys.org, науковці давно знали, що цей тиск може бути важливим, але оцінити наскільки в реалістичному середовищі не могли. Змоделювати його складно, бо кожну взаємодію фотона з атомом доводиться розраховувати окремо.
Загадка яскравих галактик раннього Всесвіту
За моделями, створеними до запуску James Webb, такі галактики мали бути значно рідкіснішими в перші сотні мільйонів років після Великого вибуху. Серед пояснень є два. Газ у щільних скупченнях раннього Всесвіту міг перетворюватися на зорі ефективніше, ніж сьогодні, а пилу довкола них було мало.
Але спрощені моделі ставили першу ідею під сумнів. За їхніми розрахунками, тиск Лайман-альфа мав розганяти газ у таких скупченнях і не давати йому стискатися в зорі.
Гравітація проти тиску
Шям Менон із Центру обчислювальної астрофізики Інституту Флетайрон і Аарон Сміт із Техаського університету в Далласі розрахували цей тиск для окремих моментів симуляції, у якій стискається хмара газу масою в мільйон Сонць. Результати опублікував рецензований журнал The Astrophysical Journal.
Тиск Лайман-альфа виявився в 3–500 разів сильнішим за тиск решти ультрафіолетового та інфрачервоного випромінювання. Проте, на відміну від спрощених моделей, симуляція показала, що в щільних волокнах газу, де утворюється більшість зір, сильнішою лишається гравітація, і відштовхнутий газ не відривається від скупчення.
За оцінкою авторів, навіть із тиском Лайман-альфа на зорі, ймовірно, перетворювалося від 25 до 60% газу хмари. Це в кілька разів більше, ніж у сучасних областях зореутворення, де частка зазвичай не перевищує 10%. Що менше пилу, то нижча ця частка, бо пил поглинає фотони Лайман-альфа і послаблює їхній тиск.
А в розрідженому газі між зорями, де гравітація слабша, перемагав тиск. Виходить, що випромінювання Лайман-альфа, ймовірно, майже не гальмувало утворення зір у щільних скупченнях, але виносило газ і пил, які затуляли зорі, тож галактики раннього Всесвіту здаються яскравішими. Так обидва пояснення загадки виявляються сумісними. «Воно може певною мірою розвіяти туман», — каже Шям Менон.
У моделі авторів газова завіса довкола скупчення з тиском Лайман-альфа розсіюється до двох разів швидше, ніж без нього, менш ніж за 4 мільйони років. Тож скупчення відкривається для спостерігача ще до вибухів наднових, поки світять його наймасивніші зорі. Через це їхнє іонізуюче випромінювання, можливо, встигало виходити назовні й підсилювати іонізацію водню між галактиками в перший мільярд років.
Межі розрахунку
Тиск рахували для окремих моментів симуляції, тож як випромінювання змінює саму хмару з часом, розрахунок не показує. Від кількості пилу залежить і сила ефекту, а скільки його було в ранніх галактиках, поки невідомо.
Улоф Небрін зі Стокгольмського університету й Аарон Сміт уже змоделювали випромінювання Лайман-альфа разом із рухом газу у двох вимірах. Шям Менон сподівається, що в найближчі роки вдасться перейти до трьох.
