Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các đốm màu Lyman-alpha (LAB) là những đám mây khí hydro khổng lồ tạo ra một loại ánh sáng cực tím đặc biệt được gọi là phát xạ Lyman-alpha. Một nguồn năng lượng cực kỳ mạnh phải tạo ra bức xạ này nhưng các nhà khoa học tranh luận nguồn năng lượng đó là gì. Một nghiên cứu về Lyman-alpha blob 6 (LAB-6) là LAB đầu tiên có bằng chứng mạnh mẽ về tính năng khí không ổn định. Các phát hiện cho thấy các thiên hà hình thành sao có khả năng là nguồn năng lượng chính của bức xạ Lyman-alpha phát ra từ LAB-6.
Hàng tỷ ánh sáng, những đám mây khí hydro khổng lồ tạo ra một loại bức xạ đặc biệt, một loại ánh sáng cực tím được gọi là phát xạ Lyman-alpha. Những đám mây khổng lồ phát ra ánh sáng là những đốm màu Lyman-alpha (LAB). LAB lớn hơn nhiều lần so với thiên hà Milky Way của chúng ta nhưng chỉ được phát hiện cách đây 20 năm. Một nguồn năng lượng cực kỳ mạnh là cần thiết để tạo ra bức xạ này – nghĩ rằng sản lượng năng lượng tương đương với hàng tỷ mặt trời của chúng ta – nhưng các nhà khoa học tranh luận về nguồn năng lượng đó có thể là gì.
Một nghiên cứu mới được công bố vào ngày 9 tháng 3 trên tạp chí Thiên văn học thiên nhiên cung cấp bằng chứng cho thấy nguồn năng lượng nằm ở trung tâm của các thiên hà hình thành sao, xung quanh đó là các LAB tồn tại.
Nghiên cứu tập trung vào Lyman-alpha blob 6 (LAB-6) nằm cách xa hơn 18 tỷ năm ánh sáng theo hướng chòm sao Grus. Nhóm hợp tác đã phát hiện ra một tính năng độc đáo của LAB-6 – khí hydro của nó dường như tự rơi vào bên trong. LAB-6 là LAB đầu tiên có bằng chứng mạnh mẽ về cái gọi là chữ ký khí không phù hợp này. Khí không ổn định có rất ít các nguyên tố kim loại cho thấy khí hydro không ổn định của LAB có nguồn gốc từ môi trường liên thiên hà thay vì từ chính thiên hà hình thành sao.
Lượng khí không quá thấp để cung cấp năng lượng cho phát xạ Lyman-alpha quan sát được. Các phát hiện cung cấp bằng chứng cho thấy thiên hà hình thành sao trung tâm là nguồn năng lượng chính chịu trách nhiệm phát xạ Lyman-alpha. Họ cũng đặt ra những câu hỏi mới về cấu trúc của LAB.
“Điều này mang đến cho chúng ta một bí ẩn. Chúng tôi hy vọng sẽ có khí gas xung quanh các thiên hà hình thành sao – chúng cần khí đốt cho các vật liệu”, Zheng Zheng, phó giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Utah và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết. . Zheng tham gia nỗ lực phân tích dữ liệu và dẫn dắt việc giải thích lý thuyết với sinh viên tốt nghiệp U, Shiyu Nie. Nhưng đây dường như là blob Lyman-alpha duy nhất có khí gas. Tại sao điều này lại hiếm đến vậy?
Các tác giả đã sử dụng Kính thiên văn rất lớn (VLT) tại Đài thiên văn Nam châu Âu (ESO) và Mảng milimét / milimét lớn Atacama (ALMA) để thu thập dữ liệu. Tác giả chính Yiping Ao của Đài thiên văn Núi Tím, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc lần đầu tiên quan sát hệ thống LAB-6 hơn một thập kỷ trước. Anh ta biết có một cái gì đó đặc biệt về hệ thống ngay cả khi đó dựa trên kích thước cực lớn của blob khí hydro của nó. Anh nhảy vào cơ hội để nhìn kỹ hơn.
“May mắn thay, chúng tôi đã có thể có được dữ liệu cần thiết để nắm bắt cấu trúc phân tử từ ALMA, làm giảm tốc độ của thiên hà”, ông nói. “Kính viễn vọng quang học VLT từ ESO đã cho chúng ta cấu hình ánh sáng quang phổ quan trọng của phát xạ Lyman-alpha.”
Ánh sáng của hydro tiết lộ bí mật của nó
Vũ trụ chứa đầy hydro. Các electron hydro quay quanh hạt nhân của nguyên tử ở các mức năng lượng khác nhau. Khi một nguyên tử hydro trung tính được thổi bằng năng lượng, electron có thể được tăng lên quỹ đạo lớn hơn với mức năng lượng cao hơn. Sau đó electron có thể nhảy từ cấp quỹ đạo này sang cấp quỹ đạo khác, tạo ra một photon. Khi electron di chuyển đến quỹ đạo bên trong nhất từ quỹ đạo liền kề, nó phát ra một photon có bước sóng đặc biệt trong phổ tử ngoại, gọi là phát xạ Lyman-alpha. Một nguồn năng lượng mạnh mẽ được yêu cầu để cung cấp năng lượng cho hydro đủ để tạo ra sự phát xạ Lyman-alpha.
Các tác giả đã phát hiện ra tính năng khí không ổn định bằng cách phân tích động học của khí thải Lyman-alpha. Sau khi photon Lyman-alpha được phát ra, nó gặp một môi trường chứa đầy các nguyên tử hydro. Nó đâm vào các nguyên tử này nhiều lần giống như một quả bóng di chuyển trong máy pinball, trước khi thoát ra khỏi môi trường. Lối thoát này làm cho khí thải mở rộng ra bên ngoài qua khoảng cách lớn.
Tất cả những thứ này nảy xung quanh không chỉ làm thay đổi hướng của sóng ánh sáng, mà cả tần số của nó, vì chuyển động của khí gây ra hiệu ứng Doppler. Khi khí thoát ra, phát xạ Lyman-alpha chuyển sang bước sóng dài hơn, đỏ hơn. Điều ngược lại xảy ra khi khí tràn vào – bước sóng phát xạ Lyman-alpha dường như ngắn hơn, chuyển nó thành phổ xanh hơn.
Các tác giả của bài báo này đã sử dụng quan sát ALMA để xác định bước sóng dự kiến của phát xạ Lyman-alpha từ tương lai của Trái đất nếu không có hiệu ứng nảy cho các photon Lyman-alpha. Với quan sát VLT, họ phát hiện ra rằng phát xạ Lyman-alpha từ blob này chuyển sang bước sóng dài hơn, ngụ ý dòng khí. Họ đã sử dụng các mô hình để phân tích dữ liệu phổ và nghiên cứu động học của khí hydro.
Khí không ngừng thu hẹp nguồn gốc của bức xạ Lyman-alpha
LAB được liên kết với các thiên hà khổng lồ đang hình thành các ngôi sao với tốc độ hàng trăm đến hàng nghìn khối lượng mặt trời mỗi năm. Các quầng phát thải Lyman-alpha khổng lồ bao quanh các thiên hà này tạo thành khí Lyman-alpha xuất hiện hàng trăm ngàn năm ánh sáng với sức mạnh tương đương với khoảng 10 tỷ mặt trời. Chuyển động trong các đốm khí có thể cho bạn biết điều gì đó về trạng thái của thiên hà.
Khí gas có thể bắt nguồn từ nhiều cách khác nhau. Nó có thể là giai đoạn thứ hai của một đài phun nước thiên hà – nếu những ngôi sao khổng lồ chết đi, chúng sẽ nổ tung và đẩy khí ra ngoài, sau đó rơi vào bên trong. Một lựa chọn khác là một dòng lạnh – có những sợi hydro nổi giữa các thiên thể có thể được kéo vào trung tâm của giếng tiềm năng, tạo ra tính năng khí vô hạn.
Mô hình của các tác giả cho thấy rằng khí không ổn định trong LAB này xuất phát từ kịch bản sau. Họ đã phân tích hình dạng của cấu hình ánh sáng Lyman-alpha cho thấy rất ít bụi kim loại. Trong thiên văn học, kim loại nặng hơn helium. Các ngôi sao tạo ra tất cả các nguyên tố nặng trong vũ trụ – khi chúng phát nổ, chúng tạo ra các nguyên tố kim loại và lan truyền chúng khắp không gian liên thiên hà.
“Nếu khí đốt đến từ thiên hà này, bạn sẽ thấy nhiều kim loại hơn. Nhưng cái này, không có nhiều kim loại”, ông Trịnh nói. “Dấu hiệu cho thấy khí không bị nhiễm các nguyên tố từ sự hình thành sao này.”
Ngoài ra, mô hình của họ chỉ ra rằng khí xung quanh chỉ tạo ra năng lượng tương đương với hai khối lượng mặt trời mỗi năm, quá thấp so với lượng phát thải Lyman-alpha quan sát được.
Những phát hiện này cung cấp bằng chứng mạnh mẽ rằng thiên hà hình thành sao là tác nhân chính của sự phát xạ Lyman-alpha trong khi khí không hoạt động có tác dụng định hình cấu hình quang phổ của nó. Tuy nhiên, nó không hoàn toàn trả lời câu hỏi.
Vẫn có thể có những khả năng khác. Nếu thiên hà có một lỗ đen siêu lớn ở trung tâm, nó có thể phát ra các photon năng lượng có thể truyền đi đủ xa để tạo ra sự phát xạ.
Trong các nghiên cứu trong tương lai, các tác giả muốn trêu chọc các động lực khí phức tạp để tìm ra lý do tại sao khí gas lại rất hiếm đối với LAB. Khí thổi vào có thể phụ thuộc vào định hướng của hệ thống. Họ cũng muốn xây dựng các mô hình thực tế hơn để hiểu được sự chuyển động của các photon phát xạ Lyman-alpha khi chúng đâm vào các nguyên tử.
Yiping Ao cũng liên kết với Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc. Các tác giả đóng góp khác bao gồm: Shiyu Nie của Đại học Utah; Christian Henkel của MP IfR và Đại học King Abdulaziz; Alexandre Beelen của Viện nghiên cứu d ‘Astrophysique Spatiale, Renyue Cen của Đại học Princeton; Mark Dijkstra thuộc Đại học Oslo; Paul J. Francis của Đại học Quốc gia Úc; James E. Geach thuộc Đại học Hertfordshire; Kotaro Kohno của Đại học Tokyo; Matthew D. Lehnert của Sorbonne Đại học; Karl M. Menten và Axel Weiss của MP IfR; và Junzhi Wang của Đài thiên văn Thiên văn Thượng Hải.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Utah . Bản gốc được viết bởi Lisa Potter. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :