С тех пор как космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) начал научную работу, астрономы наблюдали галактики, существовавшие более 13 миллиардов лет назад. Именно в этот период, известный как «космическая тёмная эра», между 200 миллионами и 1 миллиардом лет после Большого взрыва сформировались первые звёзды и галактики. К сожалению, свет, исходивший в тот период, ограничивался реликтовым излучением, вызванным Большим взрывом, — космическим микроволновым фоном (CMB) — и фотонами, высвобождавшимися при реионизации нейтрального водорода звёздным излучением.
Предыдущие обсерватории, такие как почтенные космические телескопы «Хаббл» и «Спитцер» , не могли наблюдать галактики в этот период из-за их ограниченной чувствительности в инфракрасном (ИК) диапазоне. Но благодаря передовым ИК-инструментам, коронографам и тепловому экрану «Уэбба» завеса над Тёмными веками наконец-то приподнимается. В недавнем исследовании международная группа учёных изучила архивные данные телескопа «Уэбб» о галактиках, существовавших всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, доведя «Уэбб» до предела его возможностей.
Исследование возглавил Марко Кастеллано, научный сотрудник Национального института астрофизики и Астрономической обсерватории Рима (INAF-OAR). К нему присоединились коллеги из INAF, Национальной лаборатории исследований в области оптической и инфракрасной астрономии (NOIRLab), Института астрофизики Андалусии (IAA-CSIC), Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA), Института космических телескопов (STScI), Центра космических полётов Годдарда НАСА, а также из нескольких университетов и институтов.
С тех пор как Webb впервые заработал, он наблюдал за галактиками, которые существовали более 13 миллиардов лет назад. Изображения некоторых из этих ранних галактик были включены в программу Webb Early Release Observations (EROs), на которой были видны "Маленькие красные точки", которые оказались ранними активными ядрами Галактик (aka. квазары). До появления «Уэбба» астрономы могли наблюдать галактики, существовавшие до красного смещения ~10 (~500 миллионов лет после Большого взрыва), с помощью «Хаббла» и «Спитцера», хотя и с гораздо меньшей чувствительностью.
Но, как Кастельяно сообщил Universe Today по электронной почте, более высокая чувствительность «Уэбба» позволила по-новому взглянуть на первые этапы формирования и эволюции галактик:
«JWST обнаружил десятки источников с большим красным смещением, вплоть до z-14,2 (нынешний рекордсмен, соответствующий ~300 млн лет после Большого взрыва). JWST позволил детально изучить их физические свойства, в том числе химический состав их газа. Среди множества захватывающих результатов я бы выделил два результата, полученных JWST: большое количество ярких галактик через 500–300 млн лет после Большого взрыва и большое количество слабых активных ядер галактик в первые миллиарды лет.
Количество галактик, обнаруженных в этот период, и их видимая яркость удивили астрономов, поскольку они не соответствовали установленным космологическим моделям. То же самое можно сказать и о сверхмассивных чёрных дырах (СМЧД), обнаруженных в этот период, которые были крупнее, чем предсказывали космологические модели. В обоих случаях эти модели предполагают, что после Большого взрыва прошло недостаточно времени для формирования такого количества ярких галактик или для того, чтобы СМЧД стали такими большими. По словам Кастеллано, первое открытие находится в центре его исследований:
"С момента первых наблюдений JWST обнаружил ряд галактик с z> 9 с ярким ультрафиолетовым излучением, которое намного выше, чем предсказывалось теоретическими моделями или на основе предыдущих наблюдений. За последние 3 года было предпринято несколько теоретических попыток объяснить этот "избыток" ярких галактик либо как следствие, например, очень низкого рассеяния пыли, либо высокой эффективности звездообразования, либо вклада излучения звезд с низким содержанием металлов, либо аккреции на сверхмассивные черные дыры и т.д. Крайне важно искать галактики с более высоким красным смещением, чем те, которые были изучены до сих пор, чтобы проверить предсказания этих теоретических моделей.
В ходе своего исследования команда изучила фотометрические измерения JWST и HST из каталогов ASTRODEEP-JWST и проанализировала семь входящих в них обзоров. Это включало в себя научный обзор ранней космической эволюции (CEERS), поля, наблюдаемые в ходе исследований Великих обсерваторий Origins Deep Survey-North (GOODS-N) и GOODS-South, спектроскопически полных наблюдений эпохипервой реионизации (FRESCO), кампании Next Generation Deep Extragalactic Exploratory Public (NGDEEP), CANDELS, GLASS-JWST и многое другое.
Как отмечалось, команда искала в этих источниках фотометрических данных галактики со значениями красного смещения z = 15-30. Отобранные ими кандидаты были выбраны на основе формы их спектрально-энергетического распределения и разрывов Лаймана. Этот последний метод включает наблюдение галактик с большим красным смещением через фильтры ближнего инфракрасного и ультрафиолетового (UV) диапазонов, поскольку излучение от этих галактик почти полностью поглощается окружающим их нейтральным газом. Как объяснил Кастеллано, это создало множество проблем:
«С одной стороны, объекты становятся менее яркими и обнаруживаются в меньшем количестве фотометрических диапазонов, что делает ограничения на форму их спектра менее значимыми. С другой стороны, становится очевидным, что существует более высокий риск загрязнения данными от галактик с более низким красным смещением. Загрязнение данных всегда является проблемой при поиске редких далёких галактик с использованием фотометрической информации, но для образцов с красным смещением более 15 эта проблема усугубляется появлением новых классов плохо изученных объектов с низким/промежуточным красным смещением, попадающих в критерии отбора."Обычно это объекты, спектральное распределение энергии которых имитирует распределение галактик с z> 15, потому что они очень "красные", то есть их излучение резко возрастает на длинах волн более 2 микрон, потому что свет их звезд чрезвычайно ослаблен пылью или потому, что в них преобладают старые звездные популяции. В некоторых известных случаях их фотометрические точки идентичны точкам галактик с z> 15 из-за сочетания красного сплошного излучения с чрезвычайно сильными эмиссионными линиями, усиливающими поток в некоторых наблюдаемых фильтрах ".
В настоящее время астрономам удалось обнаружить лишь несколько галактик-кандидатов с красным смещением z = 15 или выше. И это несмотря на то, что ультрафиолетовое излучение этих галактик в системе отсчёта находится в спектральном диапазоне камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) телескопа «Уэбб». Тем не менее, преодоление барьера z = 15 необходимо для изучения эволюции галактик в ранней Вселенной, когда формировались первые звёзды и галактики. Эта информация поможет разрешить существующие противоречия между теоретическими моделями и наблюдениями.
В целом, команда выбрала 10 объектов из каталогов ASTRODEEP-JWST, цвета которых были совместимы с красным смещением от z = 15 до 20. Однако, как объяснил Кастеллано, анализ этих источников еще раз доказал, что изучение объектов с такими красными смещениями чрезвычайно сложно. "Это правда, что они являются вероятными кандидатами на высокое красное смещение, но они также совместимы с ожидаемыми цветами редких популяций галактик при меньших красных смещениях", - сказал он. «В частности, как упоминалось выше, это могут быть пыльные галактики с сильными эмиссионными линиями или старые, пассивно эволюционирующие галактики».
Например, один из этих кандидатов уже наблюдался с помощью спектрометра ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) телескопа «Уэбб» в рамках исследования эпохи реионизации с помощью призмы CANDELS-Area (CAPERS). У этой галактики высокая скорость звездообразования и красное смещение z = 6,56 (~13,2 миллиарда лет), но она сильно поглощается пылью, из-за чего кажется более красной. Однако остальные кандидаты, участвовавшие в их исследовании, остаются потенциальными кандидатами, достойными дальнейшего изучения:
[Е]сли мы предположим, что все они являются галактиками с z>15, то последствия будут чрезвычайно интересными. Их количество будет означать обилие ярких галактик через 2-300 млн лет после Большого взрыва, что выше, чем предсказывают теоретические модели. На самом деле, спектроскопическое подтверждение даже небольшой части этих объектов будет означать значительное несоответствие теоретическим прогнозам.
Более того, исследование, проведённое командой, может иметь значение для изучения пыльных галактик, существовавших чуть более 13 миллиардов лет назад. Как и галактики с очень высоким красным смещением, галактики с z = 4–7 (12,5–13,3 миллиарда лет) изучены плохо. Они состоят как из пыльных звёздных галактик с низкой массой, так и из пассивных галактик с низкой массой, которые встречаются редко по сравнению с яркими ультрафиолетовыми галактиками с низкой степенью поглощения пыли в эту эпоху. Дальнейшие исследования этих кандидатов могут многое рассказать об этом раннем периоде космической истории.
Тем временем Кастеллано и его команда подчёркивают необходимость дальнейших исследований галактик, которые могут иметь красное смещение z = 15 или больше:
Крайне важно будет провести спектроскопическое исследование объектов, выбранных в качестве потенциальных галактик с красным смещением z>15. Подтверждение того, что они являются настоящими галактиками с высоким красным смещением, существенно повлияет на наше понимание самых ранних этапов эволюции галактик. Если же мы обнаружим, что все они являются «пришельцами» с более низким красным смещением, мы сможем понять малоизученные популяции пыльных и пассивных галактик с промежуточным красным смещением, которые мы можем обнаружить и исследовать только благодаря JWST... Мы начинаем понимать, как использовать JWST для поиска этих чрезвычайно далёких галактик. Это непросто, но обнаружение источников, появившихся всего через 100–200 млн лет после Большого взрыва, возможно с помощью JWST.
Препринт их статьи недавно появился в интернете и проходит рецензирование для публикации в журнале «Астрономия и астрофизика».