Фото предоставлено: arXiv (2024 г.). DOI: 10.48550/arxiv.2409.11468.
Среди других замечательных достижений и загадок космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) обнаружил в далекой Вселенной большее количество ярких галактик, чем ожидалось. Пока ученые все еще спорят об избытке, исследовательская группа предположила, что гамма-всплески можно использовать в качестве мощного зонда для изучения избытка, который также можно использовать для наблюдения за формированием звезд и галактик в далекой ранней Вселенной.
JWST недавно наблюдал самую далекую из когда-либо наблюдаемых галактик, которая образовалась всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва. Сейчас он находится на самом краю наблюдаемой Вселенной, где объекты удаляются почти со скоростью света.
Поскольку свет от этих объектов распространяется так быстро относительно Земли, когда он достигает Земли, он имеет значительное красное смещение. Его длины волн растягиваются настолько, что становятся значительно больше, чем когда они были излучены, что называется эффектом Доплера (мы знаем его по сдвигу звуковых частот по мере удаления транспортного средства от наших ушей).
Отношение наблюдаемой длины волны к излучаемой длине волны называется Z-фактором — параметром, часто используемым астрономами и астрофизиками.
Самая далекая наблюдаемая галактика имела Z-фактор 14,32. JWST также обнаружил больше ярких галактик с азимутом 10 или больше, чем ожидалось, основываясь на экстраполяции их количества при меньших z. (Здесь «яркий» означает ультрафиолетовый свет; z=10 соответствует скорости спада 98,4 процента от скорости света.)
Чрезмерная скорость звездообразования, выявленная наблюдениями с космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). Вертикальная ось показывает скорость на единицу объема, а параметр красного смещения z на горизонтальной оси является мерой расстояния. Черная кривая появилась раньше JWST. Красные треугольники показывают нижний предел скорости звездообразования, определенный с помощью JWST. Красная сплошная линия представляет избыточную скорость звездообразования, определенную JWST. Изображение предоставлено: Тацуя Мацумото.
Этому избытку были предложены различные объяснения, такие как активное звездообразование и тяжелая начальная функция массы, производящая больше ультрафиолетового излучения. Однако причина до сих пор остается неясной. Это важный вопрос, поскольку спектр ультрафиолетовой светимости содержит важную информацию об истории формирования этих галактик, их звездообразующей активности и населении звезд в далекой Вселенной.
Вместе с коллегами Тацуя Мацумото из Киотского университета в Японии изучил потенциал гамма-всплесков с высоким Z, чтобы объяснить происхождение избытка ярких звезд и галактик. Ее работа, опубликованная на сервере препринтов arXiv, была отправлена в Astrophysical Journal Letters.
Они использовали данные зонда «Эйнштейн», космического рентгеновского телескопа, запущенного в основном Китаем в январе 2024 года. Зонд «Эйнштейн» оснащен широким рентгеновским телескопом, подходящим для наблюдения гамма-всплесков с высоким Z; Недавно наблюдался гамма-всплеск со значением Az 4,859.
Мацумото сказал, что если одна из возможных причин избытка JWST «заключается в том, что звезды формируются более эффективно в этих галактиках, гамма-всплески должны быть более частыми и могут быть обнаружены зондом Эйнштейна». скорость образования гамма-всплесков при z=10 или выше может проявлять различное поведение, и обнаружение этой скорости зондом Эйнштейна или будущими гамма-всплесками прояснит причину избытка JWST».
Гамма-всплески — это взрывные события во Вселенной — фактически, самые яркие и экстремальные события, которые существуют во Вселенной. Их интенсивное излучение длится от десяти миллисекунд до нескольких часов и, как полагают, высвобождается, когда звезда становится сверхновой, а затем взрывается. (Другие, по-видимому, образовались в результате слияния двух нейтронных звезд.) Они чрезвычайно редки — всего несколько на галактику в миллион лет — и большинство наблюдаемых гамма-всплесков находятся на расстоянии миллиардов световых лет.
Типичный гамма-всплеск (GRB) всего за несколько секунд высвободит столько же энергии, сколько Солнце выделяет за все свои десять миллиардов лет. Если бы такое извержение произошло в Млечном Пути и его луч был бы направлен прямо на Землю, оно уничтожило бы большую часть жизни на планете. Существует два типа гамма-всплесков: «короткие», длящиеся менее 2 секунд, и «длинные», длящиеся более 2 секунд. Короткие гамма-всплески составляют около 30% всех гамма-всплесков, длинные — 70%.
Количество гамма-всплесков в ранней Вселенной можно было определить только неадекватно из-за ограничений ранее доступных детекторов. Чтобы преодолеть эту проблему, Мацумото и его команда разработали сложную аналитическую зависимость между изменением скорости образования гамма-всплесков при изменении z, то есть по мере возвращения времени к ранней Вселенной. «Поскольку длинные гамма-всплески возникают в результате коллапса массивных звезд, — писали они, — они исследуют активность звездообразования в области с высоким Z во Вселенной и напрямую отслеживают историю звездообразования».
Важно отметить, что они обнаружили, что распределение гамма-всплесков красного смещения зависит от возможной причины избытка JWST. Если превышение вызвано увеличением собственной скорости звездообразования, распределение красного смещения показывает превышение при z примерно 10 или более. Когда переход исходной функции массы к функции с тяжелым верхом приводит к избытку JWST, распределение красного смещения также показывает избыток, но в другой степени. Если другие эффекты вызывают избыток JWST, например вклад активных ядер галактик, распределение будет плавно экстраполироваться за пределы az, равного 10.
Дальнейшие данные GRB должны прояснить причину превышения. «В дополнение к зонду «Эйнштейн», — сказал Мацумото, — будущие миссии, такие как HiZ-GUNDAM, позволят обнаружить гамма-всплески и углубить наше понимание ранней Вселенной».
