Первые галактики оказались ярче прогнозов: причиной мог стать свет их звезд

Исследователи изучили, как излучение молодых звездных скоплений действует на окружающее вещество. Свет не только переносит энергию, но и давит на газ и пыль. Если это давление достаточно велико, вещество отступает, а звезды становятся лучше видны. Галактика при этом не обязана излучать больше света: до наблюдателя просто доходит большая его часть.

Авторы сосредоточились на ультрафиолетовом излучении в линии Лайман-альфа. Оно возникает, когда свободный электрон присоединяется к иону водорода или возбуждает атом водорода при столкновении. Это излучение отличается тем, как оно взаимодействует с газом: атом водорода поглощает фотон и почти сразу испускает его снова на той же длине волны. Соседний атом может поглотить этот фотон, затем следующий — и так много раз, прежде чем свет покинет облако. При каждом таком взаимодействии свет передает веществу импульс и давит на него.

Эту цепочку трудно воспроизвести в компьютерной модели: приходится учитывать множество повторных взаимодействий света с атомами. Поэтому Шьям Менон из Института Флэтайрон и Аарон Смит из Техасского университета в Далласе выбрали другой подход. Они взяли отдельные состояния газового облака из уже готовой модели области, где рождались звезды в ранней Вселенной, и рассчитали, с какой силой излучение Лайман-альфа давило бы на газ и пыль. Исходная модель охватывала 2,5 миллиона лет.

Результат зависел от плотности вещества. В плотных областях, где формируются звезды, давление света не смогло преодолеть гравитацию. Газ и пыль получали толчок, но оставались в пределах области звездообразования. По расчетам авторов, этот механизм вряд ли мог сильно подавить рождение звезд в таких условиях.

В разреженном газе между звездами картина была другой. Там давление излучения могло пересилить гравитацию и разогнать вещество до скоростей, при которых оно способно покинуть галактику. Такие потоки могли уносить газ и пыль, которые заслоняли звезды. Это помогло бы объяснить яркость части ранних галактик без столь же сильного воздействия на плотные облака, где продолжали рождаться новые звезды.

Пока расчеты показывают, что такой механизм возможен, но не дают полного ответа о его роли в ранней Вселенной. Авторы оценили давление света на готовых состояниях модели, а не проследили, как оно меняет газ и дальнейшее рождение звезд. Для этого нужна модель, в которой излучение, потоки вещества и звездообразование влияют друг на друга. Исследователям также предстоит точнее выяснить свойства пыли в ранних галактиках. По словам Менона, связанные процессы уже удалось учесть в двумерных расчетах; следующий шаг — трехмерные модели.

Фото Matt Twombly for Simons Foundation