«Джеймс Уэбб» показал, что ранняя Вселенная «трещала» от звездообразования

Космический телескоп NASA «Джеймс Уэбб» с большим светособирающим зеркалом и инфракрасной сверхчувствительностью идеально подходит для изучения галактик, существовавших в ранней Вселенной, «всего» через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.

Чуть больше месяца наблюдений «Джеймса Уэбба» посвящено глубокому внегалактическому обзору JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), целью которого является изучение самых далеких галактик.

Среди первых результатов обзора:

• Наблюдение сотен галактик, существовавших в тот исторический период, когда возраст Вселенной составлял менее 600 миллионов лет;
• Наблюдение галактик, подвергшихся повторяющимся вспышкам звездообразования.

Один из самых фундаментальных вопросов астрономии: как образовались первые звезды и галактики? Космический телескоп «Джеймс Уэбб» дает новые ответы на этот вопрос. Одной из крупнейших программ первого года научной работы «Джеймса Уэбба» является обзор JADES, в рамках которого около 32 дней работы телескопа будет посвящено обнаружению и описанию невероятно далеких галактик. Хотя данные все еще поступают, обзор уже позволил обнаружить древние галактики, наполненные множеством молодых горячих звезд.

«С помощью JADES мы хотим ответить на множество вопросов, например: как образовались самые ранние галактики? Как быстро они образовали звезды? Почему некоторые галактики перестают образовывать звезды?» — прокомментировала обзор Марсия Рике, профессор астрономии из Аризонского университета в Тусоне и соруководитель программы JADES.

Фабрика звезд

Астроном Райан Эндсли из Техасского университета в Остине руководил исследованием галактик, существовавших через 500-850 миллионов лет после Большого взрыва, в период, известный как Эпоха Реионизации. В течение сотен миллионов лет после Большого взрыва Вселенная была заполнена газообразным «туманом», который делал ее непрозрачной для света. Через миллиард лет после Большого взрыва туман рассеялся, и Вселенная стала прозрачной — этот процесс известен как реионизация. Ученые спорят, были ли основной причиной реионизации активные сверхмассивные черные дыры или галактики, наполненные очень горячими молодыми звездами.

В рамках обзора JADES Эндсли и его коллеги изучали эти древние галактики в поисках признаков активного звездообразования — и нашли их в изобилии.

«Почти каждая галактика, которую мы находим, демонстрирует необычайно сильные сигнатуры эмиссионных линий, указывающие на недавнее интенсивное звездообразование, — сказал Эндсли. — Эти ранние галактики очень хорошо создавали горячие массивные звезды».

Эти яркие массивные звезды испускали потоки ультрафиолетового света, который превращал окружающий газ из непрозрачного в прозрачный, ионизируя атомы и удаляя электроны из их ядер. Поскольку в ранних галактиках было огромное количество горячих массивных звезд, то можно предположить, что они были основной движущей силой процесса реионизации. Более позднее воссоединение электронов и ядер дает отчетливо сильные эмиссионные линии.

Эндсли и его коллеги также нашли доказательства того, что эти молодые галактики претерпевали периоды интенсивного звездообразования, чередующиеся со спокойными периодами, когда звезд формировалось меньше. Звездообразование могло запускаться тогда, когда галактики захватывали сгустки газообразного сырья из межгалактического пространства. Однако массивные звезды быстро взрываются, а значит энергия, высвобождаемая в ходе столь разрушительного процесса, могла предотвращать конденсацию газа и препятствовать образованию новых звезд, что периодически тормозило звездообразование.

«Джеймс Уэбб» изучает раннюю Вселенную

Составляющей обзора JADES является поиск самых ранних галактик, которые существовали, когда Вселенной было менее 400 миллионов лет. Изучая эти галактики, астрономы могут выяснить, чем звездообразование в «первые годы» после Большого взрыва отличалось от того, что наблюдается в настоящее время.

Свет от далеких галактик растягивается до более длинных волн и красных цветов из-за расширения Вселенной — явление, называемое красным смещением. Измеряя красное смещение галактики, астрономы могут узнать, как далеко она находится и, следовательно, когда она существовала. До «Джеймса Уэбба» наблюдалось всего несколько десятков галактик с красным смещением выше 8; они существовали, когда Вселенной было меньше 650 миллионов лет. JADES помог обнаружить почти тысячу таких чрезвычайно далеких галактик.

Кевин Хейнлайн из Аризонского университета в Тусоне и его коллеги использовали камеру ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) «Джеймса Уэбба» для оценки красного смещения далеких галактик (фотометрическое красное смещение). Это позволило идентифицировать более 700 галактик-кандидатов, которые существовали через 370-650 миллионов лет после Большого взрыва. Само количество этих галактик намного превышало предсказания наблюдений, сделанных до запуска «Джеймса Уэбба». Беспрецедентное разрешение и чувствительность обсерватории позволяют астрономам видеть эти далекие галактики лучше, чем когда-либо прежде.

«Раньше самые ранние галактики, которые мы могли видеть, выглядели просто как маленькие пятна. И все же эти пятна представляют собой миллионы или даже миллиарды звезд в ранней Вселенной, — сказал Хейнлайн. — Теперь мы видим, что некоторые из них на самом деле являются протяженными объектами с идентифицируемой структурой. Мы можем видеть, как группы звезд рождаются всего через несколько сотен миллионов лет после начала времен».

«Мы обнаружили, что звездообразование в ранней Вселенной гораздо сложнее, чем мы думали», — резюмировала Рике.