Астрономы наблюдают за самой химически примитивной галактикой в ранней Вселенной

Фото из открытых источников

Одно из величайших достижений космического телескопа Джеймса Уэбба заключается в том, что он позволил ученым расширить границы астрономии, наблюдая за галактиками, существовавшими в ранней Вселенной, менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Этот период, известный как Эпоха реионизации, совпадает с тем, что астрономы прозвали «Космическими темными веками». В это время, через 380 000–1 миллиард лет после Большого взрыва, Вселенная была заполнена нейтральным водородом, и любые источники света, видимые сегодня, смещены в красную сторону спектра за пределы возможностей обычных телескопов.

Благодаря передовым инфракрасным приборам и спектрометрам телескопа Webb, ученые теперь могут заглянуть за эту завесу и увидеть, как галактики эволюционировали с самых ранних космологических эпох. В недавнем открытии международная группа астрономов использовала телескоп Webb и метод гравитационного линзирования, чтобы получить редкие данные о LAP1-B, ультраслабой галактике, существовавшей через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Используя спектрометры Webb, команда смогла точно охарактеризовать эту галактику, показав, что это самая бедная металлами галактика в ранней Вселенной, наблюдавшаяся на сегодняшний день.

Исследованию руководил доцент Кимихико Накадзима из Университета Канадзавы. К нему присоединились коллеги из Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ), Института исследований космических лучей (ICRR), Института физики и математики Вселенной Кавли (IMPU), Научно-исследовательского института науки и техники Васэда, Болонской астрофизической и космической обсерватории (OAS), Института космологии Кавли, Кавендишской лаборатории и Центра обработки и анализа инфракрасных данных Калифорнийского технологического института (IPAC). Исследование, описывающее их работу, было опубликовано в журнале Nature.

Сразу после Большого взрыва Вселенная содержала только легкие элементы, такие как водород и гелий, в то время как элементы, необходимые для жизни (углерод, кислород и т. д.), отсутствовали. Эти элементы были сформированы во внутренних областях звезд первого поколения (звезды третьего поколения), которые затем рассеялись, когда эти звезды взорвались сверхновыми и сбросили свои внешние слои. В течение десятилетий астрономы надеялись найти эти звезды, чтобы стать свидетелями момента, когда они начали засеивать Вселенную более тяжелыми элементами. Это было проблематично, поскольку самые ранние галактики, в которых находились звезды третьего поколения, кажутся очень маленькими и тусклыми.

В результате, определение их химического состава с помощью спектроскопии до настоящего времени считалось практически невозможным. Работа Накадзимы основывается на первоначальных обнаружениях LAP1-B, добавляя к картине спектры JWST, которые показывают рекордно низкое содержание кислорода (1/240 от содержания кислорода в Солнце). В сочетании с повышенным отношением углерода к кислороду и доминирующим гало темной материи эти данные позволяют предположить, что LAP1-B является прародителем ископаемых галактик, обнаруженных вблизи Млечного Пути. Астрономы искали эти «предковые» галактики, что делает LAP1-B историческим окном в самые ранние стадии формирования галактик.

Исследователям помогло наличие промежуточного скопления галактик, которое действовало как гравитационная линза, увеличивая свет от LAP1-B в 100 раз. После 30 часов наблюдений и глубокой спектроскопии команда наконец смогла охарактеризовать химический состав этой галактики. Помимо того, что она химически примитивна, соотношение углерода и кислорода в галактике точно соответствует теоретическим предсказаниям для материала, рассеиваемого взрывами звезд третьего поколения.

«Меня мгновенно поразило крайнее отсутствие кислорода, выявленное в данных. Обнаружение галактики в таком примитивном состоянии — это поразительно. Это химический след, который ясно указывает на первобытную галактику, запечатленную в моменты вскоре после ее образования. Обычно мы действуем как «космические археологи», пытаясь угадать прошлое, изучая старые звезды в нашем собственном окружении. Но теперь мы можем анализировать газ непосредственно из первоначального состояния галактики 13 миллиардов лет назад. Мы являемся свидетелями момента, когда галактика впервые унаследовала химические строительные блоки, созданные первыми звездами Вселенной», - отметил Накадзима в пресс-релизе Университета Канадзавы.

Команда также обнаружила, что LAP1-B невероятно легкая (менее 3300 солнечных масс), что подразумевает, что большая часть галактики состоит из темной материи в виде гало. Наряду с ее уникальным химическим составом, это делает ее практически идеальным аналогом «ультратетких карликовых галактик (УФГ)», обнаруженных сегодня вблизи Млечного пути. Об этом заявил профессор Масами Оучи (NAOJ/Токийский университет), член исследовательской группы: «Ультрафиолетовые галактики (УФД) — это не просто самые тусклые галактики; они состоят из древних звёзд возрастом более 12 миллиардов лет и часто описываются как «окаменелости Вселенной». Астрономы предполагали, что они могут быть остатками самых ранних галактик Вселенной, поскольку в них отсутствуют тяжёлые элементы, но прямой связи с ними у астрономов не было — до тех пор, пока мы не обнаружили LAP1-B. Глубокое удивление вызывает тот факт, что LAP1-B выглядит в точности как «предок», которого мы представляли себе только в теориях. Это помогает нам разгадать тайну того, почему эти космические окаменелости сохранились в своём нынешнем виде до наших дней».

Результаты исследований команды предоставляют астрономам новый способ картирования рождения более тяжелых элементов во Вселенной и формирования ее древнейших структур. Следующим шагом станет использование данных телескопа JWST для поиска еще более химически примитивных объектов, включая самые первые из когда-либо образовавшихся. Как отметил Накадзима: «Мы надеемся, что это открытие станет историческим шагом в понимании того, как элементы, из которых состоят наши тела, впервые родились и накопились во Вселенной».