Изучение избыточного звездообразования с помощью гамма-всплесков (по данным Уэбба)

Автор: arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2409.11468

Среди других примечательных достижений и загадок, космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) обнаружил большее количество ярких галактик в далекой Вселенной, чем ожидалось. Пока ученые все еще спорят об избытке, одна исследовательская группа предположила, что гамма-всплески могут быть использованы в качестве мощного зонда для изучения избытка, который также мог бы наблюдать за образованием звезд и галактик в далекой, ранней Вселенной.

Недавно JWST наблюдал самую далекую галактику из когда-либо наблюдавшихся, которая образовалась всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва. Сейчас она находится на дальнем краю наблюдаемой Вселенной, где объекты удаляются почти со скоростью света.

Двигаясь так быстро относительно Земли, свет от этих объектов имеет значительное красное смещение, когда он достигает нас. Его длины волн растянуты, так что они значительно больше, чем когда они были испущены, что называется эффектом Доплера (знакомым нам по сдвигу звуковых частот, когда транспортное средство удаляется от наших ушей).

Отношение наблюдаемой длины волны к излучаемой длине волны называется z-фактором — параметром, широко используемым астрономами и астрофизиками.

Самая дальняя наблюдаемая галактика имела z-фактор 14,32. JWST также обнаружил больше ярких галактик на az 10 или больше, чем ожидалось из экстраполяции их числа на более низком z. (Здесь «яркий» означает ультрафиолетовый свет; z=10 соответствует скорости удаления 98,4 процента от скорости света.)

Скорость образования избыточных ярких звезд, выявленная в ходе наблюдений с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). Вертикальная ось показывает скорость на единицу объема, а параметр красного смещения z — на горизонтальной оси, меру расстояния. Черная кривая относится к эпохе до JWST. Красные треугольники показывают нижний предел скорости образования звезд, полученный с помощью JWST. Красная сплошная линия обозначает скорость образования избыточных звезд, определенную JWST. Автор: Tatsuya Matsumoto

Были выдвинуты различные объяснения этого избытка, такие как активное звездообразование и начальная функция масс с перегрузкой сверху, которая производит больше ультрафиолетового излучения, но причина все еще остается неясной. Это важный вопрос, поскольку спектр ультрафиолетовой светимости содержит ключевую информацию об истории формирования этих галактик, их активности звездообразования и звездном населении далекой Вселенной.

Вместе с коллегами Тацуя Мацумото из Киотского университета в Японии исследовал потенциал гамма-всплесков с высоким z для объяснения происхождения избытка ярких звезд и галактик. Их работа, опубликованная на сервере препринтов arXiv, была отправлена в Astrophysical Journal Letters.

Они использовали данные, полученные зондом Einstein, космическим рентгеновским телескопом, запущенным Китаем в январе 2024 года. Зонд Einstein оснащен широким рентгеновским телескопом, который отлично подходит для наблюдения за гамма-всплесками с высоким z; недавно он зафиксировал гамма-всплеск со значением z 4,859.

Мацумото сказал, что если одной из возможных причин избытка JWST «является то, что звезды формируются более эффективно в этих галактиках, гамма-всплески должны происходить чаще и могут быть обнаружены зондом Эйнштейна». В частности, они обнаружили, что «скорость формирования гамма-всплесков может иметь различное поведение при z=10 или выше, и обнаружение скорости зондом Эйнштейна или будущими миссиями по исследованию гамма-всплесков прояснит причину избытка JWST».

Гамма-всплески — это взрывные события во Вселенной, по сути, самые яркие и экстремальные события, наблюдаемые во Вселенной. Длящиеся от десяти миллисекунд до нескольких часов, их интенсивное излучение, как полагают, высвобождается, когда звезда становится сверхновой, а затем взрывается. (Другие, по-видимому, создаются путем слияния двух нейтронных звезд.) Они чрезвычайно редки — всего несколько на галактику за миллион лет — и большинство наблюдаемых гамма-всплесков находятся в миллиардах световых лет от нас.

Типичный гамма-всплеск (GRB) выделит столько энергии всего за несколько секунд, сколько Солнце выделит за все десять миллиардов лет своей жизни. Если бы такой всплеск произошел в Млечном Пути, и его струя была бы направлена прямо на Землю, он бы положил конец большей части жизни на планете. GRB бывают двух типов: «короткие», с длительностью менее 2 секунд, и «длинные», с длительностью более 2 секунд. Короткие GRB составляют около 30% всех GRB, а длинные GRB — 70%.

Число гамма-всплесков в ранней Вселенной было плохо ограничено из-за ограничений ранее доступных детекторов. Чтобы преодолеть это, Мацумото и его команда разработали сложную аналитическую зависимость между дисперсией скоростей формирования гамма-всплесков при изменении z, то есть при возврате времени к ранней Вселенной. «Поскольку длинные гамма-всплески производятся коллапсом массивных звезд», — писали они, «они исследуют активность звездообразования в высоких z Вселенной, напрямую отслеживая историю звездообразования».

Важно, что они обнаружили, что распределение гамма-всплесков с красным смещением зависит от потенциальной причины избытка JWST. Если избыток вызван повышением собственной скорости звездообразования, распределение красного смещения покажет избыток при z около 10 или больше. Если переход начальной функции масс к функции с тяжелым верхом создает избыток JWST, распределение красного смещения также покажет избыток, но в другой степени. Если другие эффекты вызывают избыток JWST, например, вклад активных ядер галактик, распределение будет плавно экстраполироваться за пределы az 10.

Дополнительные данные GRB должны прояснить причину избытка. «В дополнение к зонду Эйнштейна», — сказал Мацумото, «будущие миссии, такие как HiZ-GUNDAM, будут обнаруживать гамма-всплески и углублять наше понимание ранней Вселенной».

Больше информации: Tatsuya Matsumoto et al, Probing the Origin of the Star Formation Excess Discovered by JWST through Gamma-Ray Bursts, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2409.11468