JADES-GS-z13-1-LA — это молодая галактика, появившаяся всего через 330 миллионов лет после Большого взрыва, свет которой рассеял непрозрачный водородный туман вокруг неё в процессе, называемом реионизацией.
С момента начала сбора данных космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) пролил свет на раннюю Вселенную, помогая нам лучше понять хронологию событий, которые привели к появлению нашего современного космоса.
В статье, опубликованной 26 марта в Nature, команда учёных из Копенгагенского университета сообщает об обнаружении галактики в критический момент ранней Вселенной, известный как эпоха реионизации.
Делая космос прозрачным
Молодая Вселенная была заполнена нейтральным водородом, который действует как туман и поглощает свет, не позволяя ему распространяться на большие расстояния. Во время эпохи реионизации энергичный ультрафиолетовый (УФ) свет заполнил космос; там, где он сталкивался с водородом, свет выбивал электроны из атомов и переводил газ из нейтрального состояния в возбуждённое. За сотни миллионов лет это сделало Вселенную прозрачной для света, и с тех пор мы можем видеть на огромных расстояниях и в далёком прошлом.
Но причина этой трансформации, то есть источник ультрафиолетового излучения, долгое время оставалась загадкой. Астрономы предполагали, что оно исходило от первого поколения галактик. Теперь способность JWST видеть одни из самых ранних из когда-либо обнаруженных галактик помогает астрономам сузить круг возможных вариантов.
Звезды и черные дыры
Команда Копенгагенского университета обнаружила молодую галактику под названием JADES-GS-z13-1-LA в то время, когда вселенной было всего 330 миллионов лет. Ведущий автор исследования Йорис Витсток, научный сотрудник Центра космического рассвета Копенгагенского университета, говорит, что, хотя это не самая удаленная галактика из когда-либо виденных, занимающая в настоящее время пятое место, это первая (например, самая ранняя) галактика, замеченная в процессе реионизации.
Данные JWST показывают, что JADES-GS-z13-1-LA излучает в небольшом диапазоне ультрафиолетовых волн, называемых лиман-альфа-излучением. Лиман-альфа-волны особенно хорошо поглощаются нейтральным водородом, что указывает астрономам на то, что в этой галактике и вокруг неё осталось очень мало водорода.
Одним из возможных источников света в диапазоне Лайман-альфа могут быть звёзды JADES-GS-z13-1-LA. Будучи ранней галактикой, она изобилует звёздами и может быть домом для особого типа звёзд, присутствующих только в молодой Вселенной: некоторых из самых больших звёзд, когда-либо рождённых, называемых звёздами третьего поколения. Однако Витсток говорит, что звёзды в галактике могут быть «просто очень горячими и массивными» звёздами, которые не относятся к звёздам третьего поколения, а появились чуть позже, после того как это поколение звёзд угасло.
«Теоретические модели предполагают, что звёзды III поколения, состоящие из чистого водорода и гелия, должны быть ещё более массивными и горячими, чем звёзды O- или B-типа, которые мы видим вокруг себя сегодня, — говорит Витсток. — Это связано с тем, что они не могут охлаждаться [так же, как] «обычные» звёзды, которые уже содержат некоторые более тяжёлые элементы (например, углерод, кислород и т. д.).»
Из-за отсутствия охлаждения звёзды третьего поколения могли быть очень горячими. В результате они могли генерировать достаточно мощный свет, чтобы возбуждать нейтральный водород и вызывать реионизацию внутри и вокруг галактик — и в конечном счёте во всей Вселенной.
Но ультрафиолетовый сигнал, исходящий от JADES-GS-z13-1-LA, также может исходить от аккрецирующей центральной чёрной дыры, которая окружена диском из настолько горячей плазмы, что она тоже может испускать излучение, достаточно мощное, чтобы вызвать реионизацию. Если это чёрная дыра, то она была бы одной из первых обнаруженных и рассказала бы нам о формировании галактик в ранней Вселенной. Это также подтвердило бы модели, согласно которым сверхмассивные чёрные дыры, называемые активными ядрами галактик, вызвали космическую реионизацию, а не звёзды.
Свеча в темноте
JADES-GS-z13-1-LA излучает достаточно горячих фотонов, чтобы возбудить водород за пределами галактики и в межгалактической среде, создавая ионизированный (прозрачный) пузырь диаметром около 650 000 световых лет. Этот пузырь похож на свечу, освещающую немного пространства вокруг себя.
Независимо от источника лиман-альфа-излучения JADES-GS-z13-1-LA, эта находка помогает лучше понять, как началась реионизация, и даёт нам ориентир для будущих наблюдений JWST, поскольку JWST — единственный телескоп, достаточно большой и с нужным диапазоном длин волн, чтобы детально снимать такие далёкие галактики.
Из четырёх известных галактик, более далёких, чем JADES-GS-z13-1-LA, а также из 10–15 галактик, находящихся на схожих расстояниях, ни одна, как уже упоминалось, не демонстрирует такую же сигнатуру Лайман-альфа, поэтому пока не с чем её сравнивать.
«Поиск новых кандидатов продолжается, поэтому, надеюсь, в ближайшем будущем мы найдём и другие примеры», — говорит Витсток.