Гамма-всплески указывают на скрытое звездообразование в эпоху реионизации

Международная группа астрофизиков под руководством ученых из Гуанчжоуского университета, Падуанского университета и других институтов представила новый метод оценки темпа звездообразования в ранней Вселенной, основанный на данных о длинных гамма-всплесках, собранных телескопом Swift за два десятилетия. Исследование показало, что в эпоху реионизации, начиная с красного смещения около шести, значительная часть звезд формируется в крайне слабых, невидимых для современных телескопов галактиках, что позволяет естественно объяснить наблюдаемую историю ионизации водорода без привлечения экзотических механизмов. Статья принята к публикации в ApJL. 

С момента запуска космического телескопа Джеймс Уэбб астрономы получили возможность заглядывать все дальше в прошлое, обнаруживая неожиданно яркие галактики на рекордных красных смещениях. Однако эти наблюдения не дают полной картины, поскольку основная масса звездного населения в ранней Вселенной может скрываться в объектах слишком тусклых для прямого обнаружения.

Именно здесь на помощь приходят длинные гамма-всплески (LGRB), мощнейшие взрывы, связанные с гибелью массивных короткоживущих звезд. Эти явления настолько ярки, что их можно зарегистрировать с огромных расстояний, и они служат своеобразными маяками, указывающими на места активного звездообразования независимо от светимости самих галактик-хозяев.

Исследователи использовали данные о 486 всплесках, зафиксированных обсерваторией Swift за двадцать лет, и выделили из них 76 событий с красным смещением выше 3,5 — то есть происходивших, когда возраст Вселенной не превышал двух миллиардов лет. Калибровка метода проводилась по хорошо изученному интервалу красных смещений от 3,5 до 4,5, где темп звездообразования надежно определен из прямых наблюдений.

Затем авторы распространили эту калибровку на более далекие эпохи, вплоть до z=10, получив оценки плотности скорости звездообразования, которые оказались систематически выше тех, что следуют из интегрирования светимости видимых ультрафиолетовых галактик. Наибольшее расхождение наблюдается именно в эпоху реионизации, при z>6, что указывает на вклад многочисленных тусклых объектов, недоступных даже для самых глубоких обзоров Джеймса Уэбба.

Чтобы проверить состоятельность своих оценок, авторы рассчитали, как предлагаемый ими темп звездообразования влияет на процесс ионизации межгалактической среды. Используя современные значения эффективности производства ионизирующих фотонов и доли их утечки из галактик, полученные в последних работах с участием Уэбба, они воспроизвели историю нейтрального водорода и оптическую глубину томсоновского рассеяния реликтового излучения в полном согласии с наблюдениями. Это значит, что для завершения реионизации к красному смещению около 6 не требуется прибегать к крайним значениям этих параметров, достаточно того избытка звездообразования, который обеспечивается невидимой популяцией сверхслабых галактик.

Количественный анализ показал, что для согласования оценок по гамма-всплескам и по ультрафиолетовым светимостям необходимо интегрировать функцию светимости галактик до очень слабых пределов. В зависимости от используемой модели — классической функции Шехтера или двойного степенного закона, предельная абсолютная звездная величина на z~6 составляет от минус 14 до минус 15, а на z~10 опускается до минус 10–11, что значительно тусклее общепринятого порога минус 17.

Это означает, что галактики с ультрафиолетовой светимостью выше минус 17, то есть доступные современным обзорам, обеспечивают менее половины всего звездообразования на красных смещениях выше восьми, а на z=10 их вклад падает до тридцати процентов и ниже.

Таким образом, новое исследование предлагает независимый и убедительный аргумент в пользу того, что ранняя Вселенная была населена огромным количеством маломассивных, тусклых галактик, которые играли ключевую роль в ее повторной ионизации. Хотя число гамма-всплесков на больших красных смещениях пока ограничено, а статистическая надежность выводов возрастет с вводом в строй новых космических миссий, уже сейчас этот подход позволяет дополнить и существенно скорректировать наши представления о балансе ионизирующих фотонов в первые миллиарды лет космической истории.

Полученные результаты не только согласуются с данными по реликтовому излучению и нейтральному водороду, но и указывают направление для будущих поисков — самые слабые объекты, формирующие звезды на заре времен, еще ждут своего открытия.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях