Защо галактиките от Космическото пладне излъчват толкова много космически лъчи?

Отговорите на някои от най-належащите въпроси на космологията са скрити от обикновен прах. Става въпрос за Космическото пладне, период от време, започнал около два милиарда години след Големия взрив, когато почти всички галактики преживяват бум на растеж и бързо звездообразуване. Галактиките са образували звезди със скорости от 10 до 100 пъти по-високи от днешните и са ставали по-масивни чрез сливания с други галактики. Ореолите от тъмна материя също са нараствали бързо през това време. Астрономите искат да разберат как галактиките растат и еволюират, а Космическото пладне и неговата висока скорост на звездообразуване и бързият му растеж са критичен етап в галактическата еволюция.

Хубавото на радиовълните е, че те са относително незасегнати от космическия прах. По-дългите им дължини на вълните им позволяват да преминават през праха, който блокира оптичната светлина. Това означава, че могат да се използват за изследване на замъгленото от прах Космическо пладне, период, който е частично блокиран за наблюдения в оптична светлина.

Ново изследване анализира разпределението на радиоспектралната енергия на 160 галактики по време на Космическото пладне. В него са използвани данни от MeerKAT, Very Large Array и Giant Metrewave Radio Telescope, за да се разделят радиовълните на отделните им компоненти и да се проследят свойствата на галактиките във времето.

Изследването е публикувано в The Astrophysical Journal в статия с водещ автор Фатеме Табатабаей (Fatemeh Tabatabaei), професор по астрономия в Института за изследвания на фундаменталните науки (IPM) в Техеран, Иран.

"Изучаването на разпределението на радиоспектралната енергия на далечни галактики е от съществено значение за разбирането на тяхното сглобяване и еволюция в космическото време", пишат изследователите в статията си.

Всичко, което знаем за галактиките, произтича от нашите наблюдения на светлината, която те излъчват, включително радиовълни и оптична/видима светлина. Наблюденията на видимата светлина показват, че след Космическото пладне галактиките са започнали да угасват, което означава, че т1хната скорост на звездообразуване и сила на лъчението намалява.

Но информацията за скоростта на звездообразуване на една галактика, с която разполагат астрономите, е изкривена от наблюденията на видимата светлина, които са възпрепятствани от междузвездния прах. Тъй като радиовълните преминават през праха, радионаблюденията могат да допълнят наблюденията на видимата светлина, като разкрият невидими аспекти на галактиките по време на Космическото пладне.

Тази времева линия на Вселената показва различни епохи от нейната история. Космическото пладне (Cosmic Noon) е време на пиково звездообразуване и растеж на галактики. Кредит: ESA. CC BY-SA 3.0 IGO

Това мотивира изследователите да извършат дълбоки радионаблюдения на няколко полета в небето с южноафриканския радиотелескоп MeerKAT, разположен на 90 км от малкия град Карнарвън в Северен Кейп, който е предшественик на обсерваторията SKA.

SKA (Square Kilometer Array - "[антена] решетка [площадка] в квадратен километър") е международен проект за създаване на най-големия в света радиоинтерферометр.

Изследването с MeerKAT, наречено MIGHTEE, предоставя едновременна информация за радио континуум, спектрални линии и поляризация, за да се изучи скоростта на звездообразуване и магнитните полета на галактиките в различни периоди на космическото време.

"Предишните ни многочестотни радионаблюдения на близки галактики показаха, че радиосигналите от 1 до 10 GHz предоставят надежден инструмент за измерване на скоростта на образуване на звезди", обяснява водещият автор Табатабаей. "Изследването MIGHTEE, комбинирано с други радионаблюдения, ни позволи да разширим изследванията си до 160 ранни галактики по време на Космическото пладне и след това."

Подробният нов анализ показва, че радиоспектърът на тези галактики еволюира със скоростта на звездообразуване, което може да има важни последици за нашето разбиране за ранните галактики, в които се образуват звезди.

Едно от нещата, които са измерили, е синхротронният спектрален индекс. Той е един от ключовите параметри за разбирането на космическите лъчи и магнитните полета на галактиките и изразява зависимостта на плътността на радиационния поток (т.е. радиационния поток на единица честота) от честотата.

Синхротронното лъчение се излъчва от космическите лъчи (високоенергийни електрони), докато те се движат спираловидно по магнитните полета.

Авторите на изследването откриват, че синхротронният спектрален индекс се изравнява с увеличаване на червеното отместване и скоростта на образуване на звезди. В този случай изравняването означава, че са били излъчени повече високоенергийни електрони в сравнение с по-нискоенергийните. Това откритие показва, че космическите електронни лъчи са били по-високо енергийни в ранната Вселена, вероятно поради по-високата активност на образуване на звезди.

Синхротронното лъчение се излъчва от електрони, които се движат спираловидно по магнитни полета. Те се ускоряват достатъчно, за да станат важни релативистичните ефекти. Кредит: Jon Lomberg/Gemini Observatory

Но според теорията космическите лъчи губят енергия толкова по-бързо, колкото повече време прекарват в магнитни полета, поради синхротронното лъчение, което излъчват, докато са в полетата. Спектрите на тези ранни галактики показват, че тези космически лъчи са натрупали повече енергия в галактики с по-висока скорост на звездообразуване, където магнитните полета също са по-силни.

На какво се крие несъответствието?

"Това може да се случи, ако магнитните полета са силно преплетени и турбулентни в тези системи", обяснява професор Табатабаей. "Турбулентните магнитни полета помагат на космическите лъчи да се ускорят до по-високи енергии. След това тези частици се разпръскват и отделят от полето."

Ако това е вярно, тогава галактиките от Космическото пладне би трябвало да са вградени в облаци или ореоли от високоенергийни космически лъчи. Изследователите също така откриват, че инфрачервено-радио корелацията (IRRC), индиректен начин за измерване на радиоспектралната енергия на далечни галактики, остава постоянна с червеното отместване, въпреки че същата радиоспектралнаа енергия се развива в радиовълните. Ореолите от високоенергийни космически лъчи също могат да обяснят това.

Това изображение на космическия телескоп Джеймс Уеб е дълбоко полезен изглед на Вселената, който показва част от полето COSMOS-Web, получено с мощния телескоп. То съдържа голямо разнообразие от галактики. Най-червените, подобни на точки галактики са едни от най-далечните и най-ранни галактики, виждани някога. Кредит: ESA/Webb, NASA & CSA, G. Gozaliasl, A. Koekemoer, M. Franco и екипът на COSMOS-Web.

Изследването показва също, че радионаблюденията са ефективни тракери за образуване на звезди при високи червени отмествания. Това е важно откритие, тъй като мощни радиообсерватории като Square Kilometer Array скоро ще заработят. Те ще картографират един милиард галактики в радио диапазона и ще изучават образуването и еволюцията на галактиките в древната Вселена, наред с други теми.

"Работата, представена в тази статия, ще се възползва от предстоящите дълбоки и многочестотни SKA проучвания, които ще помогнат за извършването на по-стабилен анализ на радиоспектралната енергия в по-пълни проби", пишат изследователите в заключението на своята статия.

Справка: Fatemeh Tabatabaei et al 2025 ApJ 989 44; The Astrophysical Journal DOI 10.3847/1538-4357/ade233

Източник: A Cosmic Noon Puzzle: Why Did Cosmic Noon Galaxies Emit So Many Cosmic Rays?, Evan Gough, Universe Today

Още по темата

13/08/2025

Физика

Нов модел обяснява защо има толкова големи черни дупки в ранната Вселена. И други космoлoгични мистерии

12/08/2025

Космос

Засякоха най-далечния досега мощен бърз радиоимпулс

21/05/2025

Космос

Нов рекордьор за най-далечна галактика и отново е открит от "Джеймс Уеб"

23/08/2024

Космос

Откриха загадъчен малък пръстен от радиоизлъчвания в центъра на Млечния път