С тех пор как космический телескоп имени Джеймса Уэбба начал научную работу, астрономы увидели галактики, существовавшие более 13 миллиардов лет назад. Именно в этот период, известный как «Космические тёмные века», первые звёзды и галактики образовались между 200 миллионами и 1 миллиардом лет после Большого взрыва. К сожалению, свет этого периода мы видим только в виде реликтового излучения, вызванного Большим взрывом. Это фотоны, высвободившиеся при реионизации нейтрального водорода под действием звёздного излучения.
Предыдущие обсерватории, такие как более старые космические телескопы «Хаббл» и «Спитцер», не могли наблюдать галактики в этот период из-за их ограниченной инфракрасной (ИК) чувствительности. Но благодаря передовым ИК-инструментам, коронографам и тепловому экрану «Уэбба» занавес с тёмных веков наконец-то снят. В недавнем исследовании международная группа учёных изучила архивные данные «Уэбба» по галактикам, существовавшим всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва – в этом смысле «Уэбб» поработал на пределе своих возможностей по созданию изображений.
Исследование проводилось под руководством Марко Кастеллано, исследователя из Национального института астрофизики (Obsservatorio Astronomico di Roma, INAF-OAR). К нему присоединились коллеги из INAF, Национальной исследовательской лаборатории оптической и инфракрасной астрономии (NOIRLab), Института астрофизики Андалусии (IAA-CSIC), Гарвардского и Смитсоновского центров астрофизики (CfA), Научного института космического телескопа (STScI), Центра космических полётов НАСА имени Годдарда, а также многочисленных университетов и институтов.
С момента начала работы «Уэбб» ведёт наблюдения за галактиками, существовавшими более 13 миллиардов лет назад. Изображения некоторых из этих ранних галактик были включены в программу ранних наблюдений «Уэбба» (Early Release Observations, ERO), в которой были показаны «маленькие красные точки», оказавшиеся ранними активными галактическими ядрами (они же квазары). До появления «Уэбба» астрономам удавалось обнаружить галактики, существовавшие до красного смещения порядка 10 (~500 миллионов лет после Большого взрыва), с помощью «Хаббла» и «Спитцера», хотя и с гораздо меньшим разрешением и чувствительностью.
Но, как рассказал Кастеллано, более высокая чувствительность «Уэбба» открыла новое окно в первые фазы формирования и эволюции галактик:
«Уэбб» открыл десятки источников на высоких красных смещениях вплоть до z-14.2 (нынешний рекордсмен, соответствующий ~300 млн лет после Большого взрыва). «Уэбб» позволил детально изучить их физические свойства, включая химический состав их газов. Среди лавины захватывающих результатов я бы выделил два результата, полученных «Уэббом»: большое количество ярких галактик через 500-300 млн лет после Большого взрыва и большое количество слабых активных ядер галактик в первый миллиард лет.
Количество галактик, обнаруженных в этот период, и их видимая яркость удивили астрономов, поскольку они находились в «противоречии» с устоявшимися космологическими моделями. То же самое можно сказать и о сверхмассивных чёрных дырах (СМЧД), наблюдавшихся в этот период, которые оказались больше, чем предсказывали космологические модели. В обоих случаях эти модели предполагают, что с момента Большого взрыва прошло недостаточно времени, чтобы образовалось так много ярких галактик или чтобы СМЧД стали такими большими. Первый вывод, по словам Кастеллано, находится в центре внимания его исследования:
С момента первых наблюдений «Уэбб» обнаружил ряд галактик при z>9 с ярким ультрафиолетовым излучением, которое значительно превышает предсказания теоретических моделей или предыдущих наблюдений. За последние 3 года было предпринято несколько теоретических попыток объяснить этот «избыток» ярких галактик либо, например, очень медленным угасанием света, проходящего сквозь пыль, либо высокой эффективностью звёздообразования, либо вкладом излучения бедных металлами звёзд, либо аккрецией на сверхмассивные чёрные дыры и т.д. Для проверки предсказаний этих теоретических моделей крайне важно искать галактики на более высоких красных смещениях, чем те, которые были изучены до сих пор.
В своём исследовании команда использовала фотометрические измерения «Уэбба» и «Хаббла» из каталога ASTRODEEP-JWST и проанализировала семь обзоров, входящих в него. В их число вошли научный обзор раннего релиза космической эволюции (CEERS), поля, наблюдаемые в рамках обзоров Great Observatories Origins Deep Survey-North (GOODS-N) и GOODS-South, спектроскопически полные наблюдения первой эпохи реионизации (FRESCO), кампания Next Generation Deep Extragalactic Exploratory Public (NGDEEP), CANDELS, GLASS-JWST и другие.
Как уже отмечалось, команда искала в этих источниках фотометрических данных галактики с красными смещениями z = 15-30. Кандидаты были выбраны на основе формы их спектрально-энергетического распределения и лаймановских разрывов. Последний метод предполагает наблюдение за галактиками с большим смещением через фильтры ближнего инфракрасного и ультрафиолетового (УФ) диапазонов, поскольку излучение этих галактик почти полностью поглощается окружающим их нейтральным газом. Как объяснил Кастеллано, это создаёт множество проблем:
С одной стороны, объекты становятся более слабыми и обнаруживаются в меньшем количестве фотометрических полос, что делает ограничения на форму их спектра менее значительными. С другой стороны, становится очевидным, что существует более высокий риск загрязнения галактик на более низких красных смещениях. Загрязнение выборки всегда является проблемой при поиске редких далёких галактик с помощью фотометрической информации, но для выборок z>15 эта проблема усугубляется тем, что в критерии отбора попадают новые классы плохо охарактеризованных объектов с низким/промежуточным красным смещением.
Обычно это объекты, чьё спектрально-энергетическое распределение имитирует распределение галактик z>15, поскольку они очень «красные», то есть их излучение резко возрастает на длинах волн больше 2 микрон, потому что их звёздный свет чрезвычайно ослаблен пылью, или потому что в них доминируют старые звёздные популяции. В некоторых известных случаях их фотометрические точки совпадают с точками галактик z>15 из-за сочетания красного континуума с чрезвычайно сильными эмиссионными линиями, усиливающими поток в некоторых наблюдательных фильтрах.
На данный момент астрономам удалось идентифицировать лишь несколько галактик-кандидатов на красные смещения z=15 и выше. И это несмотря на то, что ультрафиолетовое излучение покоя этих галактик находится в пределах спектрального охвата камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) «Уэбба». 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 отобрала 10 объектов из каталогов ASTRODEEP-JWST, чьи цвета соответствовали красным смещениям z = 15-20. Однако, как пояснил Кастеллано, анализ этих источников ещё раз доказал, что изучение объектов на таких красных смещениях является чрезвычайно сложной задачей. «Это правда, что они являются надёжными кандидатами в галактики с большими красными смещениями, но они также совместимы с ожидаемыми цветами редких популяций галактик на более низких красных смещениях, — сказал он. — В частности, как уже говорилось выше, это могут быть пылевые галактики с сильными эмиссионными линиями или старые, пассивно эволюционирующие галактики».
Например, один из таких кандидатов уже наблюдался с помощью спектрометра «Уэбба» в ближней инфракрасной области (NIRSpec) в рамках исследования CANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey (CAPERS). Эта галактика имеет высокую скорость звёздообразования и красное смещение z = 6,56 (~13,2 млрд лет), но сильно затемнена пылью, из-за чего кажется более красной. Тем не менее, остальные кандидаты в их исследовании остаются потенциальными кандидатами z~15-20, достойными дальнейшего изучения:
Если мы предположим, что все они являются галактиками с z>15, то последствия окажутся чрезвычайно интересными. Их количество будет говорить об изобилии ярких галактик через 2-300 млн лет после Большого взрыва, о большем количестве, чем предсказывают теоретические модели. Фактически, спектроскопическое подтверждение даже небольшой части этих объектов означало бы значительное расхождение с теоретическими предсказаниями.
Более того, исследование команды может повлиять на изучение пылевых галактик, существовавших чуть более 13 миллиардов лет назад. Как и галактики с экстремально высоким красным смещением, галактики с z = 4-7 (12,5-13,3 миллиарда лет) плохо изучены. Среди них есть как маломассивные пылевые звездообразующие галактики, так и маломассивные пассивные галактики, которые встречаются реже, чем яркие галактики этой эпохи, излучающие ультрафиолет и имеющие низкий уровень затемнения пылью. Дальнейшие исследования этих кандидатов могут открыть много нового об этом раннем периоде космической истории.
Тем временем Кастеллано и его команда подчёркивают необходимость последующих исследований галактик, которые могут иметь значения красного смещения z = 15 или более:
Очень важно провести спектроскопическое наблюдение за объектами, отобранными в качестве потенциальных кандидатов на галактики с z>15. Подтверждение того, что они действительно являются галактиками с высоким красным смещением, будет иметь значительные последствия для нашего понимания самых ранних этапов эволюции галактик. Напротив, если мы обнаружим, что все они только притворяются галактиками с высоким красным смещением, а на деле являются галактиками с низким красным смещением, мы сможем понять малоизвестные популяции пылевых и пассивных галактик с промежуточным красным смещением, которые мы можем открыть и исследовать только благодаря «Уэббу»... Мы начинаем понимать, как использовать «Уэбб» для поиска этих чрезвычайно далёких галактик; это непросто, но поиск источников, возникших всего через 100-200 млн лет после Большого взрыва, вполне по силам «Уэббу».
Препринт их статьи недавно появился в сети и сейчас рассматривается для публикации в журнале Astronomy & Astrophysics.
