Космический призрак: как «Уэбб» нашёл галактику-предка, застывшую на заре времён
Одним из величайших достижений космического телескопа «Джеймс Уэбб» стало то, что он позволил учёным раздвинуть границы астрономии, наблюдая галактики, существовавшие в ранней Вселенной, менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Этот период, известный как Эпоха реионизации, совпадает с тем, что астрономы прозвали «Космическими тёмными веками». В это время, от 380 000 лет до 1 миллиарда лет после Большого взрыва, Вселенная была заполнена нейтральным водородом, и любые источники света, видимые сегодня, имеют красное смещение, выходящее за пределы возможностей обычных телескопов.
Благодаря передовым инфракрасным приборам и спектрометрам «Уэбба» учёные теперь могут заглянуть за эту завесу и увидеть, как галактики эволюционировали с самых ранних космологических эпох. В ходе недавнего открытия международная команда астрономов использовала «Уэбб» и технику гравитационного линзирования, чтобы получить редкую возможность увидеть LAP1-B — ультра-тусклую галактику, существовавшую через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Используя спектрометры «Уэбба», команда смогла точно охарактеризовать эту галактику, показав, что это самая бедная металлами галактика в ранней Вселенной из всех, что удавалось наблюдать до сих пор.
Команду возглавил доцент Кимихико Накадзима из Университета Канадзавы. Исследование, описывающее их работу, появилось 13 мая в журнале Nature.
Сразу после Большого взрыва Вселенная содержала только лёгкие элементы, такие как водород и гелий, в то время как элементы, необходимые для жизни (углерод, кислород и другие), отсутствовали. Эти элементы были выкованы в недрах первого поколения звёзд (Население III), а затем рассеяны, когда эти звёзды взрывались как сверхновые и сбрасывали свои внешние слои. Десятилетиями астрономы надеялись найти эти звёзды, чтобы засвидетельствовать момент, когда они начали засевать Вселенную более тяжёлыми элементами. Это было проблематично, поскольку самые ранние галактики, в которых находились звёзды Населения III, выглядят настолько маленькими и тусклыми.
В результате определение их химического состава с помощью спектроскопии до недавнего времени считалось практически невозможным. Работа Накадзимы опирается на первоначальные обнаружения LAP1-B, добавляя к картине спектры JWST, которые выявили рекордно низкое содержание кислорода (в 240 раз меньше, чем у Солнца). В сочетании с повышенным соотношением углерода к кислороду и доминирующим гало тёмной материи, эти данные указывают на то, что LAP1-B является прародителем ископаемых галактик, найденных вблизи Млечного Пути. Астрономы давно искали эти «предковые» галактики, что делает LAP1-B историческим окном в самые ранние стадии формирования галактик.
«Обычно мы действуем как «космические археологи», пытаясь угадать прошлое, глядя на старые звёзды в нашем собственном окружении. Но теперь мы можем анализировать газ непосредственно с места событий 13-миллиардной давности», — пояснил Кимихико Накадзима.
Команде помогло наличие на пути света скопления галактик, которое выступило в роли гравитационной линзы, усилив 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 ней близко соответствует теоретическим предсказаниям для вещества, рассеянного взрывами звёзд Населения III.
Доцент Накадзима в пресс-релизе Университета Канадзавы сказал: «Я был мгновенно поражён экстремальным недостатком кислорода, выявленным в данных. Найти галактику в таком примитивном состоянии — это поразительно. Это химическая подпись, которая ясно указывает на первозданную галактику, пойманную в моменты сразу после её формирования».
Команда также обнаружила, что LAP1-B невероятно лёгкая (менее 3300 солнечных масс), что подразумевает, что большая часть галактики состоит из тёмной материи в виде гало.
Наряду с уникальным химическим составом, это делает её почти идеальным аналогом «Ультра-тусклых карликовых галактик (УТКГ)», обнаруживаемых сегодня вблизи Млечного Пути. Профессор Масами Оути (NAOJ/Токийский университет), участник исследовательской группы, рассказал: «УТКГ — это не просто самые тусклые галактики; они состоят из древних звёзд возрастом более 12 миллиардов лет, и их часто описывают как «ископаемые Вселенной». Астрономы подозревали, что они могут быть остатками самых ранних галактик Вселенной, потому что в них не хватает тяжёлых элементов, но у астрономов никогда не было прямой связи — пока мы не нашли LAP1-B. Это глубокое потрясение — обнаружить, что LAP1-B выглядит в точности как тот «предок», которого мы лишь представляли в теориях. Это помогает нам разгадать тайну того, почему эти космические окаменелости дожили в их нынешней форме до сегодняшнего дня».
Призрачный свет будущего: что LAP1-B расскажет о нашем происхождении
Открытие команды даёт астрономам новый способ картирования рождения тяжёлых элементов во Вселенной и формирования её старейших структур. Следующий шаг будет заключаться в том, что команда использует данные JWST для поиска ещё более химически примитивных объектов, включая самые первые из когда-либо сформировавшихся. Но значение LAP1-B выходит далеко за рамки технического достижения. Это открытие — словно найденная недостающая страница в учебнике космической истории, которая объясняет, как из безликого первичного бульона возникло то разнообразие материи, что в итоге сложилось в планеты и живые организмы.
Сам факт, что мы можем наблюдать свет, покинувший эту крошечную галактику, когда Вселенной было всего 800 миллионов лет, поражает воображение и ставит новые вопросы. Если LAP1-B является прямым предком современных ультра-тусклых карликовых галактик, которые до сих пор дрейфуют на окраинах Млечного Пути, значит, эти системы — не просто неудавшиеся фрагменты эволюции, а самые настоящие живые реликты, хранящие химическую память о первых звёздах. Более того, доминирование тёмной материи в структуре галактики намекает на то, что именно эти невидимые каркасы играли ключевую роль в сохранении первозданных звёздных систем на протяжении миллиардов лет, оберегая их от разрушительного влияния космических соседей и давая нам шанс сегодня заглянуть в лицо собственного прошлого.
Как отметил Накадзима: «Мы надеемся, что это открытие ознаменует собой исторический шаг в понимании того, как элементы, из которых состоят наши собственные тела, впервые родились и накопились по всей Вселенной».
