Новое исследование, проведенное астрономами Калифорнийского университета в Риверсайде, проливает свет на то, как молодые горячие звезды ионизируют кислород в ранней Вселенной, и как это влияет на эволюцию галактик во времени.
В исследовании представлены первые измерения меняющейся силы эмиссионных линий кислорода с сегодняшнего дня и до 12,5 миллиардов лет назад.
Основные выводы заключаются в том, что сила дважды ионизированного кислорода увеличивается во времени, в то время как сила однократно ионизированного кислорода увеличивается до 11 миллиардов лет назад, а затем уменьшается в течение оставшихся одного-двух миллиардов лет.
Причина двух разных эволюций связана с изменением физических условий внутри звездообразующих галактик. Количество ионизирующей энергии, вводимой в газ новообразованными звездами, было намного выше в ранней Вселенной.
Результаты, недавно опубликованные в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества, помогают установить основу для будущих исследований с использованием телескопов следующего поколения, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба, который позволит исследователям изучать условия внутри звездообразующих галактик до эпохи первых галактик.
Галактику можно представить как фабрику по производству звезд из холодного газа, причем одни галактики более производительны, чем другие. Следовательно, то, что примерно определяет эволюционные параметры галактики, - это скорость звездообразования, звездная масса и содержание газа.
Скорость образования звезд в галактиках не всегда была одинаковой. Типичная скорость звездообразования в галактиках росла в течение первых двух-трех миллиардов лет после Большого взрыва и неуклонно снижалась в течение последних 10-11 миллиардов лет.
Другими словами, Вселенная находится в производственном кризисе, поскольку галактики становятся менее активными в создании новых звезд. Поскольку холодный газ является топливом для звездообразования, необходимо понимать, как физические условия газа меняются на протяжении истории Вселенной.
«Один из способов изучения состояния газа в областях звездообразования галактик - это наблюдение за спектральными эмиссионными линиями», - сказал Али Ахмад Хостиван, ведущий автор статьи и аспирант кафедры физики и Астрономия в Калифорнийском университете в Риверсайде. «Эти линии образуются, когда свет ярких массивных короткоживущих звезд взаимодействует с окружающей средой, в результате чего образуются области, в которых атомы распадаются или ионизируются».
Эмиссионные линии видны только тогда, когда сияют самые массивные звезды, поэтому временные рамки, отслеживаемые этими линиями, зависят от продолжительности жизни этих звезд (примерно от 10 до 50 миллионов лет). Поэтому эмиссионные линии можно использовать для отслеживания мгновенной активности и условий в областях звездообразования галактик.
В своем исследовании ученые использовали выборку галактик с эмиссионными линиями из обзора эмиссионных линий High-z (HiZELS), чтобы проследить эволюцию силы эмиссионных линий, связанных с однократно ионизированным и дважды ионизированным кислородом.
Важность этих двух линий заключается в том, что они предоставляют информацию об энергетическом возбужденном (ионизированном) состоянии газа, поскольку основное различие между двумя линиями заключается в энергии, необходимой для перехода от однократно ионизированного к дважды ионизированному кислороду.
Это достигается благодаря уникальному дизайну HiZELS. В обзоре используются четыре узкополосных фильтра, один из которых установлен на телескопе Subaru на Гавайях, а остальные три - на Инфракрасном телескопе Соединенного Королевства (UKIRT), также на Гавайях. Эти фильтры достаточно узкие, чтобы свет от эмиссионной линии доминировал над детектором телескопа. Поскольку эмиссионные линии узкие и смещены в красную сторону, они служат свидетельством четырех разных временных срезов (по одному на каждый фильтр) истории Вселенной.
Авторы также использовали множество вспомогательных данных, полученных с различных наземных телескопов, таких как Канадско-Французский Гавайский телескоп на Гавайях, а также космических телескопов, таких как космический телескоп Спитцер. Их образцы также включают спектроскопические наблюдения с использованием спектрографов DEIMOS и MOSFIRE в обсерватории WM Keck и спектроскопию из других исследований. Исследование включает 7 000 галактик.