Miljarder ljusår bort, gigantiska moln av vätgas producerar en speciell typ av strålning, en typ av ultraviolett ljus som kallas Lyman-alfa-emissioner. De enorma molnen som sänder ut ljuset är Lyman-alfa-blobbar (LAB). LAB är flera gånger större än vår Vintergatans galax, men upptäcktes bara för 20 år sedan. En extremt kraftfull energikälla är nödvändig för att producera denna strålning - tänk att energiproduktionen motsvarar miljarder av vår sol - men forskare diskuterar vad den energikällan kan vara.

En ny studie som publicerades den 9 mars i Natur astronomi ger bevis för att energikällan är i centrum av stjärnbildande galaxer, kring vilka laboratorierna finns.

Studien fokuserar på Lyman-alpha blob 6 (LAB-6) vars ljus sänds ut för 10,7 miljarder år sedan. Det samarbetsteamet upptäckte en unik egenskap hos LAB-6 - dess vätgas verkade falla inåt på sig själv. LAB-6 är det första labbet med starka bevis på denna så kallade infallande gassignatur. Den infallande gasen var låg i överflöd av metalliska element, vilket tyder på att LAB:s infallande vätgas har sitt ursprung i det intergalaktiska mediet, snarare än från den stjärnbildande galaxen själv.

Mängden infallande gas är för låg för att driva det observerade Lyman-alfa-utsläppet. Fynden ger bevis för att den centrala stjärnbildande galaxen är den primära energikällan som är ansvarig för Lyman-alfa-emissionen. De ställer också nya frågor om strukturen på LAB:erna.

"Detta ger oss ett mysterium. Vi förväntar oss att det borde finnas infallande gas runt stjärnbildande galaxer - de behöver gas för material, " sa Zheng Zheng, docent i fysik och astronomi vid University of Utah och medförfattare till studien. Zheng gick med i arbetet med att analysera data och ledde den teoretiska tolkningen tillsammans med U-studenten Shiyu Nie. "Men det här verkar vara den enda Lyman-alfa-blobben med gas som faller in. Varför är detta så sällsynt?"

Författarna använde Very Large Telescope (VLT) vid European Southern Observatory (ESO) och Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) för att få fram data. Huvudförfattare Yiping Ao från Purple Mountain Observatory, Den kinesiska vetenskapsakademin observerade först LAB-6-systemet för över ett decennium sedan. Han visste att det var något speciellt med systemet redan då, baserat på den extrema storleken på dess vätgasblobb. Han hoppade på chansen att titta närmare.

"Lyckligtvis, vi kunde få de data som var nödvändiga för att fånga den molekylära sammansättningen från ALMA, fastställer galaxens hastighet, " sade han. "Det optiska teleskopet VLT från ESO gav oss den viktiga spektrala ljusprofilen för Lyman-alfa-emission."

Vätgas ljus avslöjar sin hemlighet

Universum är fyllt med väte. Väteelektronen kretsar kring atomens kärna på olika energinivåer. När en neutral väteatom blir sprängd med energi, elektronen kan förstärkas till en större bana med en högre energinivå. Då kan elektronen hoppa från en omloppsbana till en annan, som producerar en foton. När elektronen rör sig till den innersta omloppsbanan från omloppsbanan direkt intill, den avger en foton med en viss våglängd i det ultravioletta spektrumet, kallas en Lyman-alfa-emission. En kraftfull energikälla krävs för att aktivera väte tillräckligt för att producera Lyman-alfa-emissionen.

Författarna upptäckte funktionen för infallande gas genom att analysera kinematiken för Lyman-alfa-utsläppen. Efter att Lyman-alfa-fotonen sänds ut, det möter en miljö fylld med väteatomer. Det kraschar in i dessa atomer många gånger, som en boll som rör sig i ett flipperspel, innan du flyr miljön. Denna utgång gör att utsläppet sträcker sig utåt över stora avstånd.

Allt detta studsar runt ändrar inte bara ljusvågens riktning, men också dess frekvens, eftersom gasens rörelse orsakar en dopplereffekt. När gas rinner ut, Lyman-alfa-emissionen skiftar till längre, rödare våglängd. Motsatsen inträffar när gas strömmar in - Lyman-alfa-emissionens våglängd verkar bli kortare, flytta det till ett blåare spektrum.

Författarna till denna artikel använde ALMA-observationen för att lokalisera den förväntade våglängden för Lyman-alfa-emissionen från jordens prospektiva, om det inte fanns någon studseffekt för Lyman-alfa-fotoner. Med VLT-observationen, de fann att Lyman-alfa-emission från denna blob skiftar till längre våglängder, innebär gasinflöde. De använde modeller för att analysera spektrumdata och studera kinematiken för vätgas.

Den infallande gasen begränsar Lyman-alfastrålningens ursprung

LAB är associerade med gigantiska galaxer som bildar stjärnor med en hastighet av hundratals till tusentals solmassa per år. Jätteglorior av Lyman-alfa-emissioner omger dessa galaxer, bildar Lyman-alfa-gasklumparna hundratusentals ljusår över med en effekt motsvarande cirka 10 miljarder solar. Rörelsen inom gasklumparna kan berätta något om galaxens tillstånd.

Infallande gas kan uppstå på flera olika sätt. Det kan vara det andra stadiet av en galaktisk fontän - om massiva stjärnor dör, de exploderar och trycker gas utåt, som senare faller inåt. Ett annat alternativ är en kall ström - det finns filament av väte som flyter mellan himlaobjekt som kan dras in i mitten av potentiell brunn, skapar funktionen för infallande gas.

Författarnas modell tyder på att den infallande gasen i detta LAB kommer från det senare scenariot. De analyserade formen på Lyman-alfa-ljusprofilen, vilket tyder på väldigt lite metalldamm. Inom astronomi, metaller är allt tyngre än helium. Stjärnor producerar alla tunga grundämnen i universum - när de exploderar, de producerar metalliska element och sprider dem över det intergalaktiska rymden.

"Om gasen hade kommit från denna galax, du borde se fler metaller. Men den här, det fanns inte många metaller, " sa Zheng. "Indikationen är att gasen inte är förorenad med element från denna stjärnbildning."

Dessutom, deras modell indikerar att den omgivande gasen bara producerar energieffekten som motsvarar två solmassor per år, mycket för lågt för mängden för den observerade Lyman-alfa-emissionen.

Fynden ger starka bevis för att den stjärnbildande galaxen är den största bidragsgivaren till Lyman-alfa-emissionen, medan den infallande gasen verkar för att forma dess spektrala profil. Dock, det svarar inte helt på frågan.

"Det kan fortfarande finnas andra möjligheter, " sa Ao. "Om galaxen har ett supermassivt svart hål i mitten, den kan sända ut energiska fotoner som kan färdas tillräckligt långt för att producera emissionen."

I framtida studier, författarna vill pilla isär den komplicerade gasdynamiken för att ta reda på varför infallande gas är ovanligt för laboratorier. Den inströmmande gasen kan bero på systemets orientering, till exempel. De vill också bygga mer realistiska modeller för att förstå rörelserna hos Lyman-alfa-emissionsfotoner när de kraschar in i atomer.