Астрономы уже много лет пытаются заглянуть в ту эпоху, когда после Большого взрыва во Вселенной начали появляться первые галактики. Эти системы были небольшими, содержали совсем мало тяжелых элементов и светили гораздо слабее современных звездных скоплений. За миллиарды лет их свет сильно ослаб и сместился в инфракрасную область спектра, поэтому обнаружить такие объекты долгое время было крайне сложно. Даже самые совершенные телескопы не позволяли рассмотреть их достаточно подробно, и важная информация терялась на фоне слабого космического излучения.
Космический телескоп Джеймса Уэбба кардинально изменил положение дел, открыв настоящее окно в ту далекую эпоху. Сама природа подкидывает эффект гравитационного линзирования, который собирает и усиливает слабые лучи от объектов, расположенных далеко за массивными скоплениями. Благодаря такому природному увеличителю удалось разглядеть одну из самых примитивных галактик по имени LAP1-B, возникшую всего через 800 миллионов лет после рождения Вселенной, и получить уникальные данные.
Как гравитационная линза делает невидимое наблюдаемым
Гравитация огромных скоплений галактик способна искривлять пространство-время вокруг себя и работать как настоящая космическая линза, собирая и многократно усиливая свет от далеких объектов. В случае с LAP1-B свет прошел через кластер MACS J0416.1-2403, где общая масса тысяч галактик дала увеличение примерно в 100 раз. Без этой особенности даже золотое зеркало Уэбба не смогло бы выцепить всех подробностей. Раньше такие слабые сигналы просто исчезали в общем фоне, и даже телескоп Хаббл показывал лишь смутные дуги, не позволяющие провести нормальный спектральный разбор.
До появления телескопа Уэбба астрономы знали о LAP1-B только по снимкам телескопа Хаббл, полученным в 2020 году. Эти изображения показывали лишь слабую и сильно искаженную дугу света, но не позволяли провести спектроскопический анализ и определить физические свойства галактики. Ситуация изменилась после наблюдений с помощью прибора NIRSpec, который в течение более чем 30 часов собирал усиленный гравитационной линзой свет и позволил точно измерить красное смещение объекта. Полученное значение подтвердило, что мы видим галактику такой, какой она была примерно через 800 миллионов лет после Большого взрыва.
Без гравитационного линзирования удалось бы увидеть лишь слабое пятно света, но выделить собственное излучение звезд и подробно изучить галактику было бы невозможно. Этот результат показывает, что телескоп Уэбба в сочетании с природным увеличением позволяет добраться до самых тусклых объектов ранней Вселенной. Отличный кейс, ведь еще совсем недавно такие галактики оставались недосягаемыми для астрономов, а теперь их можно исследовать по спектрам и определять химический состав, массу и особенности первых звездных поколений.
Облачные базы данных
Создайте готовую базу данных в облаке за 5 минут. Поддерживаем PostgreSQL, MySQL, Redis и не только.
Что спектры рассказали о химическом составе и первых звездах
Анализ спектра показал, что большую часть наблюдаемого света испускают не сами звезды, а окружающий их газ, разогретый интенсивным ультрафиолетовым излучением молодых светил. Содержание кислорода в этом газе оказалось чрезвычайно низким — всего около 0,4% от солнечного уровня. Это делает LAP1-B одной из самых бедных тяжелыми элементами галактик среди всех объектов, изученных с такой точностью. Иными словами, перед нами система, состоящая из вещества, которое еще почти не было обогащено продуктами звездной эволюции.
При этом отношение углерода к кислороду в LAP1-B оказалось заметно выше, чем в Солнце. Такой химический след хорошо согласуется с тем, что окружающий газ был обогащен взрывами самых первых звезд, состоявших почти исключительно из водорода и гелия. Эти светила были очень массивными и горячими, а их жесткое излучение могло ионизировать газ до состояния трижды ионизированного углерода. Моделирование показывает, что при гибели таких звезд значительная часть кислорода могла проваливаться в образовавшуюся черную дыру, тогда как внешние слои, богатые углеродом, выбрасывались в окружающее пространство.
Газ внутри системы движется со скоростью около 58 км/с, что вполне типично для небольших карликовых галактик. Динамическая масса, рассчитанная по этим движениям, составляет примерно 10 млн солнечных масс, при этом на видимые звезды приходится менее 3 300 солнечных масс.
Роль темной материи в сборке самых ранних галактик
Основная часть массы LAP1-B, по всей видимости, приходится на темную материю. Именно ее гравитация удерживала первичный газ и создавала условия, при которых могли появиться первые звезды. Без этой невидимой основы разреженные облака водорода и гелия в ранней Вселенной вряд ли смогли бы собраться в устойчивую структуру. По своим свойствам LAP1-B напоминает ультратусклые карликовые галактики, которые и сегодня обращаются вокруг Млечного Пути и считаются своеобразными реликтами первых этапов космической эволюции.
Современные ультратусклые карликовые галактики можно считать живыми реликтами ранней Вселенной. Они давно перестали рождать новые звезды и с тех пор почти не изменились. LAP1-B, напротив, запечатлена в тот момент, когда эпоха реионизации только начиналась. Ультрафиолетовое излучение первых массивных звезд постепенно ионизировало межгалактический газ и лишало небольшие галактики притока нового вещества. Мы наблюдаем переходный этап, после которого такие системы становились тусклыми и почти неизменными на протяжении миллиардов лет.
Иными словами, астрономы наблюдают систему в короткий переходный период, когда в ней еще продолжаются процессы, характерные для самых ранних этапов звездообразования, но ее дальнейшее развитие уже подходит к концу. Со временем такие объекты превращались в тусклые карликовые галактики, которые почти не менялись на протяжении миллиардов лет. Подобные наблюдения помогают понять, как темная материя и первые звезды вместе сформировали основу для появления более крупных галактик, включая и те, что существуют во Вселенной сегодня.
Что это меняет в наших представлениях об эволюции Вселенной
Открытие показывает, как в самых ранних галактиках происходило химическое обогащение газа. Судя по наблюдениям, первые звезды распространяли элементы неравномерно: одни вещества, например углерод, попадали в окружающее пространство легче, чем другие. Это помогает точнее понять, как менялся состав вещества в молодых галактиках и как происходил переход от самых первых звезд к следующим поколениям светил. То, что раньше оставалось лишь теоретическим предположением, теперь подтверждается прямыми наблюдениями.
По словам исследователей, LAP1-B хорошо соответствует представлениям о том, какими должны были быть самые ранние галактики. При этом некоторые вопросы пока остаются открытыми. Например, ученые еще выясняют, могли ли часть наблюдаемого излучения создавать не только самые первые звезды, но и чрезвычайно массивные светила следующего поколения. Поиск других подобных галактик уже продолжается, и новые наблюдения помогут уточнить эту картину.
Такие наблюдения помогают шаг за шагом восстановить историю первых галактик и понять, как из небольших облаков первичного газа со временем возникли сложные структуры, заполнившие современную Вселенную. В одной из них живем мы с вами!
Каждый новый спектр, полученный с помощью телескопа Уэбба и гравитационного линзирования, добавляет важные детали к этой картине и позволяет все точнее представить, как выглядел космос в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва. А как вам эта находка? Поделитесь в комментариях, что думаете о первых галактиках и о том, насколько много еще предстоит узнать об их эволюции.
