В ранних галактиках Вселенной элементы распространялись быстрее, чем ожидалось

Фото из открытых источников

Телескоп Уэбб обнаружил углерод, кислород и кремний в движущемся газе вокруг молодых галактик, так что тяжелые элементы уже распространились всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Astronomy.

В первые мгновения своего существования Вселенная состояла почти исключительно из водорода и гелия. Углерод, кислород и другие тяжелые элементы появились позже, образовавшись внутри звезд.

Однако эти элементы уже распространились в газе вокруг галактики, наблюдаемой всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва, а также вокруг двух других галактик, наблюдавшихся немного позже.

Таким образом, процесс переработки вещества, переносящий его от одного поколения звёзд к другому, уже функционировал, по крайней мере, в некоторых галактиках. Возраст Вселенной составлял менее 4 процентов от её нынешнего возраста.

Йонгда Чжу из Университете Аризоны и обсерватории Стюарда, руководил работой вместе с коллегами из этого университета, а также из Калифорнийского университета в Риверсайде и Мичиганского университета. Их выборка состоит из трех ярких галактик, поэтому команда пока не может сказать, насколько типичными были эти галактики.

Свет сохраняет информацию обо всем, через что проходит. Каждый элемент поглощает свой собственный набор цветов, и эти цвета проявляются в виде тонких темных промежутков, когда свет распределяется по спектру.

Команда Чжу использовала свет звёзд каждой галактики в качестве собственного источника света. На пути к Земле этот свет пересекал газ вокруг галактики, оставляя за собой газовые промежутки.

Чтобы запечатлеть такие слабые промежутки, потребовался космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА. Свет путешествовал более 13 миллиардов лет, и телескоп Уэбба собирал его в течение примерно 29 часов при настройках, которые позволили получить эти цвета.

Все три были получены в результате глубокого обзора одного участка неба с помощью телескопа Webb, и это были единственные галактики в этом участке, достаточно яркие для такого рода измерений. Команда выбрала их исключительно по яркости, не проверяя на наличие пробелов, и оказалось, что во всех трех они присутствуют.

Разрывы соответствовали атомам кислорода, углерода и кремния. Некоторые атомы кислорода остались неповрежденными. Некоторые атомы кремния и углерода потеряли один электрон, а другие — три, что требует более жестких и энергетически интенсивных условий.

Все эти варианты наблюдались с перекрывающимися скоростями. Одному спокойному облаку газа внутри галактики было бы трудно создать такую смесь. Это указывает на газ в нескольких состояниях, движущийся вместе и связанный с каждой галактикой.

Структура промежутков в целом напоминала ту, которую астрономы наблюдают в звездообразующих галактиках, сформировавшихся более миллиарда лет спустя. Из подобных элементов впоследствии образовались звезды и каменистые планеты.

Чжу связал движение газа со звездной обратной связью — толчком, который массивные звезды и их взрывы придают окружающему газу. «Можно представить молодые галактики одновременно и фабриками, и распределителями», — сказал он. «Звёзды внутри них производят такие элементы, как углерод, кислород и кремний, а обратная связь от звёзд затем выталкивает часть этого обогащенного газа наружу».

Пробелы не расположились точно там, где бы они находились для газа в состоянии покоя рядом с каждой галактикой. Они были слегка смещены в сторону более синих цветов, что происходит, когда газ движется в сторону телескопа.

Между каждой галактикой и Землей находился газ, поэтому движение к Земле означало движение от галактики. Сдвиги соответствуют скоростям примерно от 50 до 250 километров в секунду. Даже при минимальном значении скорости пересечение континентальной части Соединенных Штатов заняло бы около полутора минут.

«В спектрах, полученных с помощью телескопа JWST, мы видим, как этот газ движется относительно самих галактик, что свидетельствует о том, что эти элементы уже распространялись в их окружение», — сказал Чжу.

Скорость не позволяет определить, насколько далеко распространился газ. Ветер, дующий вблизи галактики, и газ, распространенный дальше вокруг нее, вызовут такое же смещение, а перемешивающие движения внутри галактики могут усилить его.

Атомы, подвергшиеся наиболее сильному расщеплению, возможно, двигались быстрее остальных, но для подтверждения этого потребуются более четкие спектры.

Уэбб уже обнаружил тяжелые элементы внутри галактик, еще более древних, чем эти три, включая кислород в одной из самых далеких известных галактик.

За пределами галактик большинство более ранних измерений относятся к более поздним периодам. Они основывались на свете от чрезвычайно ярких, далеких ядер галактик, просвечивающих сквозь случайные участки газа, которые были лишь слабо связаны с какой-либо одной галактикой.

«Самое поразительное — это скорость процесса», — сказал Чжу. «Предыдущие наблюдения с помощью телескопа JWST уже показали, что очень ранние галактики могли производить тяжелые элементы, но наши результаты показывают, что галактики также начали перераспределять эти элементы в окружающую среду на удивительно ранних стадиях».

Самые первые звёзды, вероятно, образовались из чистого водорода и гелия. Астрономы потратили годы на их поиски, и оказалось, что найти их непросто.

Чжу сказал, что этот результат может помочь объяснить причину. По его словам, как только первые поколения звезд начали обогащать окружающую среду, «химически чистые среды могли быстро исчезнуть».

Однако тяжелые элементы не обязательно должны были происходить в основном из этих первых звезд. Модели других исследователей показывают, что более позднее поколение звезд, некоторые из которых достигают массы в 200-300 раз большей, чем масса Солнца, могло производить углерод и кислород с такой же скоростью.

Три яркие галактики не могут показать, насколько это было распространенным явлением. Некоторые другие газовые облака, наблюдаемые в ранней Вселенной, почти не содержат тяжелых элементов, поэтому распространение, вероятно, было неравномерным, достигая одних мест значительно раньше других.

При таком уровне детализации спектры Уэбба также размывают тонкую структуру, и команда не смогла определить, где заканчивается газ. Нельзя полностью исключить и наличие активно питающейся черной дыры в одной из галактик, хотя спектры не показывают явных признаков активности черной дыры.

«Следующий важный вопрос — насколько распространённым был этот процесс», — сказал Чжу. Он хочет провести более глубокие наблюдения большего количества галактик, чтобы выяснить, было ли распространённым явлением в ранней Вселенной движение обогащенного газа наружу. Более чёткие спектры также могли бы разделить движения газа в различных его состояниях.

На данный момент это открытие основано на данных трех самых ярких галактик своего времени. Более крупные выборки покажут, распространяла ли остальная часть молодой Вселенной свои элементы на столь же ранних этапах своего развития.