Астрофизики, работающие с космическим телескопом Уэбб, обнаружили удивительное количество металлов в галактике, образовавшейся всего через 350 миллионов лет после Большого взрыва. Как это согласуется с нашими представлениями о Вселенной?

Вопрос о происхождении первых металлов во Вселенной является одним из основополагающих в астрофизике. Вскоре после Большого взрыва Вселенная почти полностью состояла из водорода, самого простого элемента. Было немного гелия, ещё меньше лития и, возможно, бесконечно малое количество бериллия. Если посмотреть на периодическую таблицу элементов, то это первые четыре элемента.

В астрономии все элементы тяжелее водорода и гелия называют «металлами». Металлы образуются в звёздах и нигде больше (за исключением ничтожного количества, образовавшегося в результате самого Большого взрыва). Проследить образование металлов во Вселенной от Большого взрыва до наших дней — одна из фундаментальных задач астрофизики.

Металличность — это фундаментальное понятие в нашем исследовании Вселенной. Без металлов каменистые планеты не могут образовываться. Не может возникнуть и жизнь. На протяжении смены поколений звёзд металличность Вселенной увеличивалась. Таким образом, существует некая траектория, которая берет своё начало от первых металлов и ведёт непосредственно к нам.

Изучение древних галактик — одна из основных задач космического телескопа Джеймса Уэбба. В рамках программы JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) астрономы исследовали область неба в поисках тусклых ранних галактик. Заглядывая так далеко в прошлое, рассматривая ранние галактики Вселенной, «Уэбб» проливает свет на древнюю историю металличности.

Группа исследователей, работавших с JADES, изучила галактику, образовавшуюся всего через 350 млн лет после Большого взрыва, и обнаружила в ней углерод. Возможно, они также обнаружили кислород и неон — все металлы, используемые в астрономии. Их выводы изложены в новой работе под названием «JADES: Обогащение углеродом через 350 млн лет после Большого взрыва в богатой газом галактике». Ведущий автор работы — Франческо Д'Эудженио, астрофизик-постдок из Института космологии Кавли в Кембридже.

Первые звёзды, образовавшиеся во Вселенной, называются звёздами населения III. Это самые древние звёзды, они были массивными, светящимися и горячими, в них почти не было металлов. То небольшое количество металлов, которое в них содержалось, было получено от первых сверхновых среди их числа.

Большая часть наших знаний о звёздах населения III носит теоретический характер, поскольку эти древние звёзды в их древних галактиках чрезвычайно трудно наблюдать. Но Уэбб способен на это. Он не может наблюдать отдельные звёзды, но его мощный инструмент NIRSpec способен обнаружить различные элементы в галактике по их характерным световым признакам.

Новое исследование основано на изучении галактики с z=12,5 вблизи «космического рассвета» — критической эпохи в истории Вселенной. Изучив результаты наблюдений «Уэбба», исследователи обнаружили в галактике неожиданное количество углерода. Он находится либо в межзвёздной среде, либо в окологалактической среде. «Это самое далёкое обнаружение металлического перехода и самое далёкое определение красного смещения по эмиссионным линиям», — поясняют исследователи. Это также «самое далёкое свидетельство химического обогащения», обнаруженное на сегодняшний день.

Это обнаружение прямо противоречит нашим представлениям о звёздах населения III, не содержащих металлов. «Обнаружение C iii- и его высокая EW (эквивалентная ширина) исключают сценарии нетронутых звёздных популяций», — пишут авторы.

Если «Уэбб» исключил существование нетронутых, безметалловых звёзд населения III, то это большая новость. Это ещё один случай, когда мощный космический телескоп опровергает наши лучшие объяснения Вселенной, которую мы видим вокруг себя. Но это не совсем шокирует: существование звёзд населения III теоретически возможно. Учитывая всё остальное, что мы знаем о Вселенной, их существование вполне логично.

Но астрономы никогда не были уверены в существовании звёзд населения III. При совершении подобного открытия учёные стараются рассмотреть все возможные варианты объяснения увиденного.

Действительно ли они видят углерод в звёздах этой далёкой и древней галактики? Или за этими эмиссионными линиями может стоять что-то другое? В древней галактике есть не только звёзды. Когда сверхмассивная чёрная дыра питается веществом, она может начать ярко светиться, породив активное галактическое ядро. Именно такое свечение мог наблюдать «Уэбб».

«Более того, в этой галактике была обнаружена сверхмассивная чёрная дыра, поглощающая материю, что позволяет предположить, что необычное разнообразие химических элементов может быть связано в первую очередь с областью ядра галактики», — поясняют исследователи.

Существует ещё один потенциальный источник углерода в галактике. Это AGB-звёзды — звёзды с асимптотической ветви гигантов. AGB-звёзды не являются крупными взрывными звёздами, как предшественники сверхновых, но это крупные звёзды, покинувшие главную последовательность. По сравнению со сверхновыми, AGB-звёзды производят металлы в щадящем режиме.

Но для превращения звезды в AGB-звезду требуется длительное время. Когда возраст Вселенной составлял всего 350 млн лет, ни одна звезда не прожила достаточно долго, чтобы стать AGB-звездой. «...AGB-звёзды не могут вносить вклад в обогащение углеродом в столь ранние эпохи», — пишут авторы.

В итоге исследователи сообщают об обнаружении углерода, но не могут точно сказать, откуда он взялся. Возможно, это «...наследие первого поколения сверхновых от предшественников населения III», — пишут они.

Чтобы увидеть эту раннюю галактику, «Уэбб» работал на пределе своих возможностей. «Обнаружение наиболее удалённого металлического перехода, которое дало столь ценную информацию о самых ранних стадиях химического обогащения, потребовало очень длительной экспозиции», — поясняют авторы. Из-за крайне слабого свечения галактики для сбора этих данных потребовалось 65 часов работы «Уэбба».

Но даже при таком времени наблюдений исследователи могут дать лишь предварительное объяснение наблюдаемой металличности. Использовать 65 часов работы «Уэбба» для спектроскопического изучения галактики не очень практично, но именно для такой точной спектроскопии он и нужен. В будущем ситуация может измениться.

«Однако в будущем обзоры больших площадей и гравитационные линзы могут помочь выявить больше галактик с большими смещениями, достаточно ярких для глубокого спектроскопического наблюдения с более короткими экспозициями», — пишут исследователи.

Когда и если это произойдёт, астрофизики получат столь желанную большую выборку. Имея в руках эти ценные данные, они, возможно, смогут найти более чёткое объяснение этой удивительной находке.