Výzkumy v AsÚ AV ČR (142): Zelení hrášci v rentgenovém záření

Kosmická reionizace, která se odehrála mezi rudými posuvy 20 a 6 (to odpovídá věku vesmíru 150 milionů až miliarda let po Velkém třesku), je jednou z velmi důležitých fází vývoje vesmíru, která značně ovlivnila jeho další vývoj, například tvorbu hvězd, formování galaxií i jejich pozorovatelnost. Co bylo ale původcem této změny je stále předmětem aktuálního výzkumu. Ionizace vodíku je efektivně možná působením ultrafialového záření v oblasti tzv. Lymanova kontinua, tedy zářením s vlnovou délkou kratší než 91,2 nm. Toto záření může být produkováno dvěma hlavními astrofyzikálními zdroji: kvazary nebo mladými horkými hvězdami. V úvahu připadají i další jevy, ale ty se nezdají být účinnými na velkých škálách a v tak velkém rozsahu. 

Vysvětlení reionizace vesmíru fotony Lymanova kontinua musí zodpovědět dvě hlavní otázky: jestli byly jejich zdroje dominantní a zda produkce energetických fotonů těmito zdroji byla dostatečná. A tak zatímco kvazary jsou jistě velmi efektivními zdroji tvrdého záření, jejich zastoupení ve velkých kosmologických vzdálenostech nemuselo být v raném vesmíru dostačující. Naproti tomu galaxie s vysokou tvorbou hvězd byly v mladém vesmíru bohatě zastoupeny. Velká část vyprodukovaného záření však mohla být absorbována v bezprostředním okolí oblasti tvorby hvězd, jako je to běžné u současných galaxií a celý efekt na ionizaci mezigalaktického plynu je tak nejasný. 

K posouzení různých možností je třeba kvalitních pozorování. Rozumně početné vzorky pozorovaných galaxií jsou k dispozici pro poměrně malé kosmologické vzdálenosti. Přímé pozorování zdroje Lymanova kontinua je nemožné pro kosmologický rudý posuv 6 a větší kvůli absorpci neutrálním plynem v mezigalaktickém prostředí. Přesto jsou v kosmologických vzdálenostech se z < 4 známy vhodné galaxie, u nichž se zdá, že asi 20 % UV záření z těchto galaxií uniká. Dvacet procent je podle numerických simulací právě ta hranice nutná ke kosmologické reionizaci neutrálního plynu.

Mezi nejbližší galaxie, z nichž uniká záření v Lymanově kontinuu, patří tzv. „zelené hrášky“. Zelené hrášky jsou rozměrově velmi malé galaxie a optickými dalekohledy byly objeveny nejprve jako zelené kuličky, než se zjistilo, že se jedná o galaxie o kosmologickém rudém posuvu přibližně 0,3. Zelená barva je způsobena velmi silným zářením v čáře kyslíku na vlnové délce 500,7 nm. Zelené hrášky objevili přitom astronomové amatéři, kteří se zapojili do občanského projektu procházení dat z prohlídky dalekohledu SDSS (Sloan Digital Sky Survey) a klasifikaci objektů na pořízených snímcích (Galaxy Zoo). Později pak vyšlo najevo, že jsou to galaxie s malou hmotností kolem miliardy hmotností Slunce s překotnou tvorbou hvězd, jejichž metalicita je menší než sluneční (tedy obsahují méně těžších prvků). V jejich záření najdeme silné čáry v optické a ultrafialové oblasti spektra, které jsou způsobeny přeměnou záření hmotných hvězd v okolním plynu. 

Autoři se tentokrát zaměřili na rentgenové záření zelených hrášků, aby se pokusili odkrýt tajemství, co způsobuje, že z těchto galaxií může unikat ionizující záření do mezigalaktického prostoru. Vysoká míra rentgenového záření je v galaxiích nejčastěji známkou probíhající akrece (dopadu hmoty) na černou veledíru v jejich středech. Toto záření pak ovlivňuje okolí v galaxii a může být odpovědné za přeměnu mezihvězdného prostředí do stavu, který umožní únik fotonů Lymanova kontinua do mezigalaktického prostoru. Zelené hrášky však na základě optických pozorování mezi aktivní galaxie nepatří a je tedy otázka, co v jejich případě způsobuje silnou ionizaci mezihvězdného prostředí. Hráškových galaxií je známo asi okolo stovky. Díky své malé velikosti a poměrně velké vzdálenosti to nejsou příliš jasné zdroje na obloze. Proto bylo zatím možné získat citlivá pozorování pomocí rentgenového dalekohledu na družici XMM-Newton jen pro první tři exempláře. Šlo o galaxie s kosmologickým posuvem z = 0,19 až 0,27, hmotností hvězdné složky několika miliard hmotností Slunce, rychlostí tvorby hvězd 20 až 60 slunečních hmot za rok a nízkou metalicitou. Jako kontrolní vzorek autoři použili tři desítky normálních galaxií se silnou tvorbou hvězd. 

Pomocí XMM-Newton se podařilo určit úroveň rentgenového záření u dvou zdrojů, u kterých byl zaznamenaný tok rentgenového záření vyšší, než jaký byl očekáván. Celková rentgenová svítivost byla v řádu 10³⁵ J/s, což je čtyři až šestkrát více než pro galaxie s tvorbou hvězd předpovídají empirické modely. To znamená, že tito dva zelení hrášci buď obsahují skrytý další zdroj rentgenového záření (například aktivní galaktické jádro nebo tzv. ultrasvítivé rentgenové zdroje) nebo v nich nalézáme mnohonásobně bohatší populaci rentgenových dvojhvězd s vysokými hmotnostmi. Zajímavé však je, že pro třetí případ zeleného hrášku nebyl žádný přebytek rentgenového záření vůbec zaznamenán. Přesto by se dalo čekat, že pro všechny tři případy by mělo být k dispozici jednotící vysvětlení. Tím by mohla být přítomnost centrální super-hmotné černé díry, která pojídá hmotu a nutí ji zářit v prvních dvou případech, nikoli však ve třetím zdroji. Proti tomuto scénáři stojí optická pozorování, která hráškové galaxie klasifikuje jako neaktivní. Na druhou stranu si však lze těžko představit, že by se množství rentgenových dvojhvězd tolik lišilo mezi podobnými galaxiemi. V tomto smyslu nepodává zcela uspokojivé vysvětlení ani zvýšená přítomnost ultrasvítivých rentgenových zdrojů, kterých by muselo být také několik desítek k vysvětlení tak velké jasnosti prvních dvou zdrojů. Za původce ultrasvítivých rentgenových zdrojů jsou nejčastěji považovány jevy v blízkosti super-akreujících neutronových hvězd nebo případně černých děr středních hmotností s hmotnostmi stovek až tisíc hmot Slunce, které však nejsou v našem vesmíru příliš běžné. 

Představovaná práce představuje pilotní studii rentgenového záření hráškových galaxií, která sice nepřináší definitivní odpověď na otázku původu jejich ionizujícího záření, ale představuje další příspěvek do hádanky nejen těchto galaxií, ale i daleké minulosti našeho vesmíru a procesů, které v něm probíhaly. Je třeba porozumět podstatě zelených hrášků a jejich roli pro reionizaci mladého vesmíru. Autoři doufají, že další potřebná pozorování budou k dispozici v blízké budoucnosti s rostoucími možnostmi instrumentální techniky, jakou v rentgenovém oboru bude představovat například mise Athena. 

REFERENCE

J. Svoboda, V. Douna, I. Orlitová, M. Ehle, Grean Peas in X-rays, Astrophysical Journal v tisku, arXiv:1810.09318

KONTAKTY

RNDr. Jiří Svoboda, Ph. D.
jiri.svoboda@asu.cas.cz
Mgr. Ivana Orlitová, Ph. D.
ivana.orlitova@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.