Астрономы обнаружили чрезвычайно древнюю галактику, прорвавшую завесу тьмы, окутывавшую раннюю Вселенную.
Удивительно, что свет от далёкой галактики JADES-GS-Z13-1-LA вообще достиг Земли. Фотоны, пришедшие из области, которая недавно попала в поле зрения космического телескопа «Джеймс Уэбб», существовали, когда Вселенной было всего 330 миллионов лет — и в тот период своего становления Вселенная была туманной и тусклой. Плотная газовая дымка заполняла пространство между звёздами и даже между галактиками, поглощая звёздный свет и погружая всю Вселенную в темноту.
Астрономы называют этот период космическими тёмными веками, и JADES-GS-Z13-1-LA — это самый ранний свет, который мы (пока) видели, пробивающийся сквозь этот космический туман.
Инфракрасное излучение невидимо для человека, но оно действительно заметно чувствительным приборам на борту JWST, таким как камера ближнего инфракрасного диапазона, спектрометр ближнего инфракрасного диапазона и прибор среднего инфракрасного диапазона.
Астрофизик из Копенгагенского университета Йорис Витсток и его коллеги использовали данные этих приборов, чтобы пролить свет на загадочный период в далёком прошлом нашей Вселенной: эпоху реионизации. Также известную как «Космический рассвет», она началась, когда свет первых галактик начал рассеивать плотный туман, заполнявший Вселенную и поглощавший ультрафиолетовый свет, примерно через 400 000 лет после Большого взрыва.
JADES-GS-Z13-1-LA находится прямо на пороге этого важнейшего момента в истории нашей Вселенной. Она входит в число первопроходцев в области реионизации и является одной из старейших галактик, которые мы можем наблюдать. А это значит, что она может рассказать физикам о том, как происходил этот процесс и как развивались самые ранние галактики.
«Я думаю, что один из самых интригующих вопросов о реионизации заключается в том, можем ли мы определить самый первый момент, когда она началась во Вселенной, — сказал Уитсток в интервью Space.com. — Это должно совпасть с образованием первого поколения звёзд».
Витсток и его коллеги заметили, что свет от JADES-GS-Z13-1-LA был более голубым, чем они ожидали (это означает, что большая его часть приходилась на более коротковолновую часть электромагнитного спектра). Галактика также испускает удивительное количество света, называемого излучением Лайман-альфа. Это излучение Лайман-альфа возникает, когда нейтральный водород подвергается воздействию ультрафиолетового излучения, которое возбуждает его электрон. Когда электрон успокаивается, он высвобождает эту энергию в виде излучения Лайман-альфа.
Наличие большого количества Lyman-α в спектре галактики говорит о том, что она бомбардирует окружающий её водород большим количеством ультрафиолетового излучения.
«Эти два факта в совокупности делают галактику уникальной (и, следовательно, удивительной), — говорит Тренти, — и [они] не соответствуют ожиданиям от типичных галактик, которые мы видим в конце реионизации [примерно через 0,8–1 миллиард лет после Большого взрыва]».
Чтобы объяснить удивительно яркое свечение галактики, нужно нечто ещё более удивительное: либо в JADES-GS-Z13-1-LA много необычайно массивных горячих голубых звёзд, либо в её центре находится необычайно огромная сверхмассивная чёрная дыра, которая активно поглощает газ.
Если мы видим свет миллиардов звёзд галактики, то эти звёзды должны быть огромными и горячими: примерно в 15 раз горячее Солнца и более чем в сто раз массивнее.
С другой стороны, если бы мы наблюдали свет от ненасытно поглощающей энергию сверхмассивной чёрной дыры, она должна была бы быть ещё более массивной, чем та, что находится в центре нашего Млечного Пути, масса которой составляет около 4 миллионов солнц. Для большинства моделей формирования и роста галактик (и сверхмассивных чёрных дыр в их центрах) это шокирующая идея: в начале истории нашей Вселенной ни одна сверхмассивная чёрная дыра не должна была успеть вырасти до таких гигантских размеров.
«Однако существуют определённые теоретические модели, в которых это можно было бы ожидать, поэтому, если бы это было так, это могло бы иметь очень важные последствия для таких теорий о формировании чёрных дыр на ранних этапах», — говорит Витсток.
Для Тренти это один из самых интересных вопросов об эпохе реионизации: «Какие источники излучения способствуют реионизации? Является ли этот процесс результатом деятельности обычных звёзд, экзотических звёзд или аккрецирующих чёрных дыр?»
Ответ на этот вопрос может рассказать нам о том, как формировались и эволюционировали ранние галактики, подобные нашему Млечному Пути и его вполне современным соседям.
«Это открытие проливает свет на то, когда началась реионизация, но это лишь предварительный результат, который вызывает любопытство. Трудно заниматься наукой, имея в распоряжении только один объект», — сказал Тренти.
Витсток согласен с этим, но он с оптимизмом смотрит на возможность обнаружения большего количества галактик на пороге эпохи реионизации. И пока что JWST расширяет границы того, как далеко в прошлое могут заглянуть астрономы.
«Я уверен, что в ближайшие годы мы найдём примеры ещё более далёких галактик с похожими характеристиками, — сказал Витсток. — Следующие шаги включают более детальное изучение этой галактики, уже получены новые наблюдения, и в ближайшем будущем планируется провести ещё больше наблюдений, а также найти больше примеров галактик с очень ярким излучением Лайман-альфа на ранних стадиях».

Исследование было опубликовано 26 марта в журнале Nature.

По материалам space.com