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Entdeckungspunkte für den Ursprung mysteriöser ultravioletter Strahlung mit einer Energieabgabe, die Milliarden Mal der Sonne entspricht

Lyman-Alpha-Blob 6

Dreifarbiges Bild des Himmels um Lyman-Alpha-Blob 6 (LAB-6). In grün ist die Lyman-Alpha-Emission von LAB-6. LAB-6 ist 18,5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt in Richtung Sternbild Grus, mit einer Ausdehnung von etwa einer halben Million Lichtjahren. Die physische Größe der gelben Box beträgt 3,26 Millionen Lichtjahre. Die meisten in diesem Bild gezeigten Galaxien sind Vordergrundgalaxien. (Blau: VLT / Hawk-I J-Bande bei 1,258 Mikron; Rot: VLT / Hawk-I Ks-Bande bei 2,146 Mikron; Grün: Lyman-Alpha-Emission bei 0,411 Mikron mit Blanco 4m-Teleskop am Cerro Tololo Inter-American Observatory). Bildnachweis: Yiping Ao / VLT / Hawk-I / Blanco

Infallierendes Gas gefunden, sternbildende Galaxien wahrscheinlich primäre Energiequelle für Lyman-Alpha-Strahlung, die von gigantischen Wasserstoffgasblobs emittiert wird.

Milliarden von Lichtjahren entfernt erzeugen gigantische Wasserstoffgaswolken eine besondere Art von Strahlung, eine Art ultraviolettes Licht, das als Lyman-Alpha-Emissionen bekannt ist. Die riesigen Wolken, die das Licht aussenden, sind Lyman-Alpha-Blobs (LABs). LABs sind um ein Vielfaches größer als unsere Milchstraße Galaxie, wurden aber erst vor 20 Jahren entdeckt. Eine extrem leistungsfähige Energiequelle ist notwendig, um diese Strahlung zu erzeugen – denken Sie, die Energieabgabe entspricht Milliarden unserer Sonne -, aber Wissenschaftler diskutieren, was diese Energiequelle sein könnte.

Ein neuer Studie das wurde am 9. März 2020 in veröffentlicht Naturastronomie liefert Hinweise darauf, dass sich die Energiequelle im Zentrum sternbildender Galaxien befindet, um die herum die LABs existieren.

Die Studie konzentriert sich auf den Lyman-Alpha-Blob 6 (LAB-6), der sich mehr als 18 Milliarden Lichtjahre entfernt in Richtung der Konstellation Grus befindet. Das kollaborative Team entdeckte ein einzigartiges Merkmal von LAB-6 – sein Wasserstoffgas schien auf sich selbst zu fallen. LAB-6 ist das erste LAB mit starken Beweisen für diese sogenannte Infalling-Gas-Signatur. Das infallierende Gas war in geringer Menge an metallischen Elementen vorhanden, was darauf hindeutet, dass das infallierende Wasserstoffgas des LAB eher aus dem intergalaktischen Medium als aus der sternbildenden Galaxie selbst stammt.

Die Menge an infallierendem Gas ist zu gering, um die beobachtete Lyman-Alpha-Emission anzutreiben. Die Ergebnisse liefern Hinweise darauf, dass die zentrale sternbildende Galaxie die primäre Energiequelle ist, die für die Lyman-Alpha-Emission verantwortlich ist. Sie werfen auch neue Fragen zur Struktur der LABs auf.

„Das gibt uns ein Rätsel. Wir gehen davon aus, dass es um sternbildende Galaxien herum Gas geben sollte – sie benötigen Gas für Materialien “, sagte Zheng Zheng, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der Universität von Utah und Mitautor der Studie. Zheng beteiligte sich an der Analyse der Daten und leitete die theoretische Interpretation mit dem U-Doktoranden Shiyu Nie. „Aber dies scheint der einzige Lyman-Alpha-Blob zu sein, bei dem Gas eindringt. Warum ist das so selten? “

Abfließendes Gas verschiebt Lyman-Alpha-Emissionsblau

Eine Lyman-Alpha-Emission hat die hier als Lyman-Alpha-Linie dargestellte Wellenlänge. Wenn Gas abfließt, verschiebt sich die Lyman-Alpha-Emission in die längere, rötlichere Wellenlänge. Das Gegenteil tritt auf, wenn Gas einströmt – die Wellenlänge der Lyman-Alpha-Emission scheint kürzer zu werden und verschiebt sie in ein blaueres Spektrum. Bildnachweis: Zheng Zheng

Die Autoren verwendeten die Sehr großes Teleskop (VLT) am European Southern Observatory (ESO) und das Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA), um die Daten zu erhalten. Der Hauptautor Yiping Ao vom Purple Mountain Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat das LAB-6-System erstmals vor über einem Jahrzehnt beobachtet. Er wusste schon damals, dass das System etwas Besonderes war, basierend auf der extremen Größe seines Wasserstoffgasblobs. Er ergriff die Gelegenheit, genauer hinzuschauen.

“Glücklicherweise konnten wir die Daten, die zur Erfassung des molekularen Aufbaus erforderlich sind, von ALMA erhalten und die Geschwindigkeit der Galaxie festlegen”, sagte er. “Das optische Teleskop VLT von ESO gab uns das wichtige spektrale Lichtprofil der Lyman-Alpha-Emission.”

Das Licht von Wasserstoff enthüllt sein Geheimnis

Das Universum ist mit Wasserstoff gefüllt. Das Wasserstoffelektron umkreist die AtomKern auf verschiedenen Energieniveaus. Wenn ein neutrales Wasserstoffatom mit Energie gestrahlt wird, kann das Elektron auf eine größere Umlaufbahn mit einem höheren Energieniveau gebracht werden. Dann kann das Elektron von einer Umlaufbahn zur anderen springen, wodurch ein Photon erzeugt wird. Wenn sich das Elektron von der direkt benachbarten Umlaufbahn in die innerste Umlaufbahn bewegt, emittiert es ein Photon mit einer bestimmten Wellenlänge im ultravioletten Spektrum, die als Lyman-Alpha-Emission bezeichnet wird. Eine leistungsstarke Energiequelle ist erforderlich, um Wasserstoff ausreichend mit Energie zu versorgen, um die Lyman-Alpha-Emission zu erzeugen.

Die Autoren entdeckten das Infalling-Gas-Merkmal durch Analyse der Kinematik der Lyman-Alpha-Emissionen. Nachdem das Lyman-alpha-Photon emittiert wurde, trifft es auf eine Umgebung, die mit Wasserstoffatomen gefüllt ist. Es stößt viele Male gegen diese Atome, wie ein Ball, der sich in einem Flipper bewegt, bevor er der Umgebung entkommt. Durch diesen Ausgang erstreckt sich die Emission über große Entfernungen nach außen.

All dieses Herumspringen ändert nicht nur die Richtung der Lichtwelle, sondern auch ihre Frequenz, da die Bewegung des Gases einen Doppler-Effekt verursacht. Wenn Gas abfließt, verschiebt sich die Lyman-Alpha-Emission in die längere, rötlichere Wellenlänge. Das Gegenteil tritt auf, wenn Gas einströmt – die Wellenlänge der Lyman-Alpha-Emission scheint kürzer zu werden und verschiebt sie in ein blaueres Spektrum.

Die Autoren dieses Papiers verwendeten die ALMA-Beobachtung, um die erwartete Wellenlänge der Lyman-Alpha-Emission aus der Perspektive der Erde zu lokalisieren, wenn es keinen Bouncing-Effekt für die Lyman-Alpha-Photonen gab. Bei der VLT-Beobachtung stellten sie fest, dass sich die Lyman-Alpha-Emission dieses Blobs in eine längere Wellenlänge verschiebt, was einen Gaszufluss impliziert. Sie verwendeten Modelle, um die Spektrumsdaten zu analysieren und die Kinematik von Wasserstoffgas zu untersuchen.

Das einfallende Gas verengt den Ursprung der Lyman-Alpha-Strahlung

LABs sind mit gigantischen Galaxien verbunden, die mit einer Geschwindigkeit von Hunderten bis Tausenden von Sonnenmassen pro Jahr Sterne bilden. Riesige Lichthöfe mit Lyman-Alpha-Emissionen umgeben diese Galaxien und bilden die Lyman-Alpha-Gasblobs mit einem Durchmesser von Hunderttausenden von Lichtjahren und einer Leistung von etwa 10 Milliarden Sonnen. Die Bewegung innerhalb der Gasblobs kann Ihnen etwas über den Zustand der Galaxie sagen.

Infallierendes Gas kann auf verschiedene Arten entstehen. Es könnte die zweite Stufe eines galaktischen Brunnens sein – wenn massive Sterne sterben, explodieren sie und drücken Gas nach außen, das später nach innen fällt. Eine andere Option ist ein kalter Strom – zwischen Himmelsobjekten schweben Wasserstofffilamente, die in die Mitte des Potentialtopfs gezogen werden können, wodurch das infallierende Gasmerkmal entsteht.

Das Modell der Autoren legt nahe, dass das in diesem LAB einfallende Gas aus dem letzteren Szenario stammt. Sie analysierten die Form des Lyman-Alpha-Lichtprofils, das auf sehr wenig Metallstaub hinweist. In der Astronomie sind Metalle schwerer als Helium. Sterne produzieren alle schweren Elemente im Universum – wenn sie explodieren, produzieren sie metallische Elemente und verteilen sie über den intergalaktischen Raum.

„Wenn das Gas aus dieser Galaxie gekommen wäre, sollte man mehr Metalle sehen. Aber dieses Mal gab es nicht viele Metalle “, sagte Zheng. “Der Hinweis ist, dass das Gas nicht mit Elementen dieser Sternentstehung kontaminiert ist.”

Darüber hinaus zeigt ihr Modell, dass das umgebende Gas nur das Energieenergieäquivalent von zwei Sonnenmassen pro Jahr erzeugt, viel zu niedrig für die Menge für die beobachtete Lyman-Alpha-Emission.

Die Ergebnisse liefern starke Beweise dafür, dass die sternbildende Galaxie den Hauptbeitrag zur Lyman-Alpha-Emission leistet, während das einfallende Gas sein Spektralprofil beeinflusst. Die Frage wird jedoch nicht vollständig beantwortet.

“Es kann noch andere Möglichkeiten geben”, sagte Ao. „Wenn die Galaxie eine Supermasse hat schwarzes Loch In der Mitte kann es energetische Photonen emittieren, die sich weit genug bewegen könnten, um die Emission zu erzeugen. “

In zukünftigen Studien wollen die Autoren die komplizierte Gasdynamik auseinanderhalten, um herauszufinden, warum infallierendes Gas für LABs selten ist. Das einströmende Gas kann beispielsweise von der Ausrichtung des Systems abhängen. Sie möchten auch realistischere Modelle erstellen, um die Bewegungen der Lyman-Alpha-Emissionsphotonen beim Aufprall auf Atome zu verstehen.

Referenz: “Infalling Gas in einem Lyman-α-Blob” von Yiping Ao, Zheng Zheng, Christian Henkel, Shiyu Nie, Alexandre Beelen, Renyue Cen, Mark Dijkstra, Paul J. Francis, James E. Geach, Kotaro Kohno, Matthew D. Lehnert, Karl M. Menten, Junzhi Wang und Axel Weiss, 9. März 2020, Naturastronomie.
DOI: 10.1038 / s41550-020-1033-3

Yiping Ao ist auch mit der Universität für Wissenschaft und Technologie in China verbunden. Andere Autoren sind: Shiyu Nie von der University of Utah; Christian Henkel vom MPIfR und der King Abdulaziz University; Alexandre Beelen vom Institut d’Astrophysique Spatiale, Renyue Cen von Princeton Universität;; Mark Dijkstra von der Universität Oslo;; Paul J. Francis von The Australian National University;; James E. Geach von der University of Hertfordshire; Kotaro Kohno von der Universität Tokio; Matthew D. Lehnert von der Sorbonne Université; Karl M. Menten und Axel Weiss vom MPIfR; und Junzhi Wang vom Shanghai Astronomical Observatory.