Miljarden lichtjaren verwijderd, gigantische wolken waterstofgas produceren een speciaal soort straling, een type ultraviolet licht dat bekend staat als Lyman-alfa-emissies. De enorme wolken die het licht uitstralen zijn Lyman-alpha blobs (LAB's). LAB's zijn meerdere malen groter dan ons Melkwegstelsel, maar werden pas 20 jaar geleden ontdekt. Er is een extreem krachtige energiebron nodig om deze straling te produceren - denk aan het energie-equivalent van miljarden van onze zon - maar wetenschappers debatteren over wat die energiebron zou kunnen zijn.

Een nieuwe studie die op 9 maart werd gepubliceerd in Natuurastronomie levert bewijs dat de energiebron zich in het centrum van stervormende sterrenstelsels bevindt, waarrond de LAB's bestaan.

De studie richt zich op Lyman-alpha blob 6 (LAB-6) waarvan het licht 10,7 miljard jaar geleden werd uitgestraald. Het samenwerkende team ontdekte een uniek kenmerk van LAB-6:het waterstofgas leek naar binnen te vallen op zichzelf. LAB-6 is het eerste LAB met sterk bewijs van deze zogenaamde invallende gassignatuur. Het invallende gas bevatte weinig metalen elementen, wat suggereert dat het invallende waterstofgas van het LAB afkomstig is uit het intergalactische medium, in plaats van van het stervormende sterrenstelsel zelf.

De hoeveelheid invallend gas is te laag om de waargenomen Lyman-alfa-emissie te voeden. De bevindingen leveren bewijs dat het centrale stervormende sterrenstelsel de primaire energiebron is die verantwoordelijk is voor de lyman-alfa-emissie. Ook stellen ze nieuwe vragen over de structuur van de LAB's.

"Dit geeft ons een mysterie. We verwachten dat er invallend gas rond stervormende sterrenstelsels zou moeten zijn - ze hebben gas nodig voor materialen, " zei Zheng Zheng, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Utah en co-auteur van de studie. Zheng deed mee aan de analyse van de gegevens en leidde de theoretische interpretatie met U-afgestudeerde student Shiyu Nie. "Maar dit lijkt de enige Lyman-alpha-klodder te zijn waarbij gas binnendringt. Waarom is dit zo zeldzaam?"

De auteurs gebruikten de Very Large Telescope (VLT) van de European Southern Observatory (ESO) en de Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) om de gegevens te verkrijgen. Hoofdauteur Yiping Ao van Purple Mountain Observatory, De Chinese Academie van Wetenschappen heeft het LAB-6-systeem meer dan tien jaar geleden voor het eerst waargenomen. Hij wist toen al dat er iets speciaals aan het systeem was, gebaseerd op de extreme grootte van zijn waterstofgasklodder. Hij greep de kans aan om beter te kijken.

"Gelukkig, we konden de gegevens verkrijgen die nodig zijn om de moleculaire samenstelling van ALMA vast te leggen, de snelheid van de melkweg vastpinnen, " zei hij. "De optische telescoop VLT van ESO gaf ons het belangrijke spectrale lichtprofiel van Lyman-alpha-emissie."

Het licht van waterstof onthult zijn geheim

Het heelal is gevuld met waterstof. Het waterstofelektron draait op verschillende energieniveaus om de atoomkern. Wanneer een neutraal waterstofatoom wordt bestraald met energie, het elektron kan worden opgevoerd naar een grotere baan met een hoger energieniveau. Dan kan het elektron van het ene baanniveau naar het andere springen, die een foton produceert. Wanneer het elektron vanuit de direct aangrenzende baan naar de binnenste baan gaat, het zendt een foton uit met een bepaalde golflengte in het ultraviolette spectrum, een Lyman-alfa-emissie genoemd. Er is een krachtige energiebron nodig om waterstof voldoende energie te geven om de Lyman-alfa-emissie te produceren.

De auteurs ontdekten de eigenschap van invallend gas door de kinematica van de Lyman-alpha-emissies te analyseren. Nadat het Lyman-alpha-foton is uitgezonden, het ontmoet een omgeving gevuld met waterstofatomen. Het botst vele malen tegen deze atomen, als een bal die in een flipperkast beweegt, voordat ze aan de omgeving ontsnappen. Deze uitgang zorgt ervoor dat de emissie zich over grote afstanden naar buiten uitbreidt.

Al dit rondkaatsen verandert niet alleen de richting van de lichtgolf, maar ook de frequentie, omdat de beweging van gas een Doppler-effect veroorzaakt. Als er gas uitstroomt, de Lyman-alfa-emissie verschuift naar de langere, rodere golflengte. Het tegenovergestelde doet zich voor wanneer er gas instroomt - de golflengte van de Lyman-alfa-emissie lijkt korter te worden, verschuiven naar een blauwer spectrum.

De auteurs van dit artikel gebruikten de ALMA-waarneming om de verwachte golflengte van de Lyman-alfa-emissie te lokaliseren vanuit het perspectief van de aarde, als er geen stuitereffect zou zijn voor de Lyman-alfa-fotonen. Met de VLT-waarneming ze ontdekten dat de Lyman-alfa-emissie van deze blob verschuift naar een langere golflengte, instroom van gas impliceert. Ze gebruikten modellen om de spectrumgegevens te analyseren en de kinematica van waterstofgas te bestuderen.

Het invallende gas vernauwt de oorsprong van de Lyman-alfa-straling

LAB's worden geassocieerd met gigantische sterrenstelsels die sterren vormen met een snelheid van honderden tot duizenden zonnemassa's per jaar. Gigantische halo's van Lyman-alfa-emissies omringen deze sterrenstelsels, de vorming van de Lyman-alfa-gasblobs met een doorsnede van honderdduizenden lichtjaren met een vermogen gelijk aan ongeveer 10 miljard zonnen. De beweging in de gasklodders kan je iets vertellen over de toestand van de melkweg.

Invallend gas kan op verschillende manieren ontstaan. Het zou de tweede fase van een galactische fontein kunnen zijn - als massieve sterren sterven, ze exploderen en duwen gas naar buiten, die later naar binnen valt. Een andere optie is een koude stroom - er drijven filamenten van waterstof tussen hemellichamen die naar het centrum van een potentiële bron kunnen worden getrokken, het creëren van de invallende gasfunctie.

Het model van de auteurs suggereert dat het invallende gas in dit LAB uit het laatste scenario komt. Ze analyseerden de vorm van het Lyman-alpha lichtprofiel, wat wijst op zeer weinig metaalstof. In de astronomie, metalen zijn iets zwaarder dan helium. Sterren produceren alle zware elementen in het universum - wanneer ze exploderen, ze produceren metalen elementen en verspreiden ze over de intergalactische ruimte.

"Als het gas uit deze melkweg was gekomen, je zou meer metalen moeten zien. Maar deze, er waren niet veel metalen, "zei Zheng. "De indicatie is dat het gas niet is verontreinigd met elementen uit deze sterformatie."

Aanvullend, hun model geeft aan dat het omringende gas slechts het energie-equivalent van twee zonsmassa's per jaar produceert, veel te laag voor de hoeveelheid voor de waargenomen Lyman-alfa-emissie.

De bevindingen leveren sterk bewijs dat het stervormende sterrenstelsel de belangrijkste bijdrage levert aan de Lyman-alfa-emissie, terwijl het invallende gas zijn spectrale profiel vormt. Echter, het beantwoordt de vraag niet helemaal.

"Misschien zijn er nog andere mogelijkheden, " zei Ao. "Als de melkweg een superzwaar zwart gat in het centrum heeft, het kan energetische fotonen uitzenden die ver genoeg kunnen reizen om de emissie te produceren."

In toekomstige studies, de auteurs willen de gecompliceerde gasdynamiek uit elkaar halen om erachter te komen waarom invallend gas zeldzaam is voor LAB's. Het instromende gas kan afhangen van de oriëntatie van het systeem, bijvoorbeeld. Ze willen ook meer realistische modellen bouwen om de bewegingen van de Lyman-alpha-emissiefotonen te begrijpen terwijl ze tegen atomen botsen.