В этой молодой галактике обнаружены элементы, образовавшиеся в результате первых сверхновых во Вселенной.
На протяжении десятилетий астрономы, глядя в такие телескопы, как «Хаббл», пытались заглянуть в древнюю эпоху, когда зажглось первое поколение звёзд во Вселенной. Но маленькие галактики, которые были строительными блоками известного нам сегодня космоса, слишком тусклые, чтобы их можно было заметить даже с помощью самых мощных инструментов. Теперь, похоже, у астрономов наконец-то появилось два преимущества: космический телескоп «Уэбб» и немного удачи.
В недавней статье, опубликованной в журнале Nature, группа учёных под руководством Кимихико Накадзимы, астронома из Университета Канадзава (Япония), использовала космический телескоп «Уэбб» для наблюдения за сверхслабой галактикой под названием LAP1-B, существовавшей примерно через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Это самая химически примитивная галактика из всех, что мы когда-либо видели.
Увеличительное стекло
LAP1-B находится на расстоянии 13 миллиардов световых лет от Земли. Чтобы наблюдать столь тусклый и удалённый объект, даже огромных, покрытых золотом бериллиевых зеркал «Уэбба» недостаточно. Мы обнаружили её благодаря массивному скоплению галактик под названием MACS J046, которое искривляет пространство-время между нами и LAP1-B.
«Галактика была сильно увеличена благодаря эффекту гравитационной линзы», — сказал Накадзима. В частности, пространство-время, искривлённое скоплением MACS J046, увеличивает свет, путешествующий от LAP1-B к Земле, примерно в 100 раз.
Но даже несмотря на стократное увеличение яркости, LAP1-B настолько тусклая, что ни «Уэбб», ни «Хаббл» не смогли обнаружить её звёздный континуум — постоянное фоновое излучение звёзд. Однако для Накадзимы и его коллег даже это послужило подсказкой. Зная расстояние, отделяющее нас от LAP1-B, и чувствительность телескопов, они рассчитали, что максимальный верхний предел звёздной массы LAP1-B должен равняться 3300 масс Солнца. Это крошечное число по сравнению с примерно 100 миллиардами солнечных масс у Млечного Пути.
Большая часть света от LAP1-B, попадающего на зеркала «Уэбба», исходила не от звёзд, а от светящегося газа. При ближайшем рассмотрении этого газа Накадзима и его коллеги поняли, что LAP1-B — это самое близкое к первым, первозданным галактикам, что мы наблюдали до сих пор.
Первоначальный состав
По мнению команды Накадзимы, мы видим свечение LAB1-B потому, что высокоэнергетическое излучение от массивных звёзд внутри галактики попадает на окружающие межзвёздные газовые облака, вызывая их флуоресценцию. Используя ближний инфракрасный спектрограф «Уэбба», исследователи проанализировали этот светящийся газ, разложив его свет на спектр и ища характерные линии эмиссии, указывающие на его химический состав.
«Мы хотели измерить, сколько кислорода присутствовало в этом объекте», — сказал Накадзима.
Этот анализ выявил значительную нехватку элементов тяжелее водорода и гелия. Соотношение кислорода к водороду в газовой фазе составляло всего 0,4% от того, что мы находим в нашем Солнце.
Ещё одна деталь в спектре указала на тип излучения, заставлявшего газ светиться. Команда обнаружила линии эмиссии от тройного ионизированного углерода — состояния, при котором атом углерода теряет половину из своих шести электронов. Для удаления нескольких электронов из атомов углерода требуются фотоны крайнего ультрафиолета с энергией более 47,9 электронвольт. Обычные звёзды, даже массивные, которые мы наблюдаем в окрестностях нашей Галактики, недостаточно горячие, чтобы генерировать излучение такой интенсивности.
Команда Накадзимы предполагает, что звёзды, которые могли нагреться до такой температуры, были самыми первыми, зародившимися во Вселенной. Они состояли исключительно из водорода и гелия, образовавшихся в результате Большого взрыва, и не содержали тяжёлых элементов, которые помогли бы им остыть в процессе формирования. «Такие звёзды должны образовываться из первичного газа», — сказал Накадзима.
Слабые сверхновые
Звёзды, которые мы видим сегодня, включая наше Солнце, относятся к звёздам I популяции. Более старое поколение, обнаруженное в гало нашей галактики, — это звёзды II популяции, в которых содержание элементов тяжелее гелия гораздо ниже. Звёзды III популяции были первыми, появившимися в космосе, и, согласно теории, представляли собой яростных монстров с массой, в сотни раз превышающей массу Солнца, сжатой в удивительно малые объёмы. Они горели с чрезвычайно высокой температурой и умирали молодыми в результате взрывов сверхновых. Команда Накадзимы, вероятно, обнаружила следы этих взрывов в LAP1-B.
Несмотря на невероятно низкое содержание тяжёлых элементов, LAP1-B отличается необычно высоким содержанием углерода; соотношение углерода к кислороду в ней выше, чем у нашего Солнца. Исследователи полагают, что ответ может крыться в том, как именно умирали эти массивные звёзды первого поколения.
Согласно нашим моделям, когда массивная звезда III популяции достигает конца своей жизни, её ядро коллапсирует в чёрную дыру, но возникающий взрыв сверхновой не обладает достаточной энергией, чтобы разорвать всю звезду на части. «Их граничная гравитационная энергия сильнее, чем у обычных массивных звёзд», — сказал Накадзима.
Вместо этого коллапс приводит к слабой сверхновой со значительным обратным оттоком, при котором более тяжёлые элементы из ядра звезды, такие как кислород, втягиваются обратно за горизонт событий и удерживаются в чёрной дыре. В то же время более лёгкие наружные слои, богатые углеродом, улетучиваются и выбрасываются в окружающий газ. Химический состав LAP1-B, с низким содержанием кислорода, но повышенным содержанием углерода, выглядит как отпечаток газового облака, образованного сверхновыми звёздами III популяции.
Но в газе LAP1-B скрывалась ещё одна зацепка, и касалась она его скорости.
Тёмная материя
Изучив, как линии излучения в спектре уширяются под действием эффекта Доплера, Накадзима и его коллеги измерили, что газ вращается внутри галактики со скоростью примерно 58 километров в секунду, что является довольно типичным значением для карликовых галактик.
Используя законы гравитации, исследователи рассчитали, какая масса необходима для того, чтобы газ, движущийся с такой скоростью, не улетел в межгалактическое пространство. «Мы оценили количество вещества в 10 миллионов масс Солнца», — сказал Накадзима.
Поскольку масса звёзд составляет менее 3300 солнечных масс, а масса газа лишь немногим превышает эту цифру, исследователи пришли к выводу, что остальная часть галактики должна состоять из тёмной материи.
Похоже, что в LAP1-B доминирует массивное гало из тёмной материи. Исследователи предполагают, что именно этот невидимый каркас и позволил галактике сформироваться в первую очередь, поскольку гравитация тёмной материи притянула первичный газ, необходимый для образования первых звёзд.
«Ископаемое» в процессе формирования
Исследование Накадзимы оставляет много нерешённых вопросов. Хотя команда предполагает, что интенсивное излучение, которое привело к образованию тройного ионизированного углерода, исходило от звёзд III поколения, возможно, что оно исходило от чрезвычайно массивных звёзд II поколения. Содержание тяжёлых элементов в галактике, хотя и крайне низкое, всё же в 10 раз превышает уровни, наблюдаемые в самых примитивных звёздах современной Вселенной.
Чтобы прояснить эти неопределённости, потребуется гораздо больше исследований, написал Александр Джи, астроном из Чикагского университета и автор комментария в рубрике «News & Views» журнала Nature к статье Накадзимы. Тем не менее, по мнению Джи, LAP1-B даёт «одни из лучших представлений о первых звёздах и галактиках, обнаруженных „Уэббом“».
По словам Накадзимы, LAP1-B — это, прежде всего, недостающее звено в космической эволюции. Вокруг Млечного Пути вращаются несколько древних скоплений звёзд, называемых ультра-слабыми карликовыми галактиками. Они имеют чрезвычайно малую массу, в них преобладает тёмная материя, и они заполнены звёздами с высоким содержанием углерода и низким содержанием металлов. Это полностью мёртвые космические окаменелости, в которых на протяжении миллиардов лет формировалось лишь несколько новых звёзд.
Астрономы давно подозревали, что эти галактики погибли во время эпохи реионизации — периода, когда интенсивное ультрафиолетовое излучение от первых галактик нагревало межгалактический газ, лишая малые галактики холодного газа, необходимого для образования новых звёзд. LAP1-B выглядит как ископаемое в процессе формирования, наблюдавшееся непосредственно перед тем, как волна реионизации прокатилась и остановила звездообразование.
«Это шаг вперёд к пониманию первозданной Вселенной», — сказал Накадзима. «Очевидный следующий шаг — найти больше галактик с низким содержанием металлов, и эта работа уже ведётся».