Недавние наблюдения космического телескопа «Джеймс Уэбб» открывают новые аспекты примитивных галактик. Эти галактики, химический состав которых не очень богат, по-видимому, отклоняются от теоретических представлений о взаимосвязи между звездной массой, звездообразованием и химическим составом. Новые данные свидетельствуют о постоянном притоке нового газа, разбавляющего тяжелые элементы и формирующего уникальный химический состав.
Современные наблюдения показывают, что галактики в течение последних 12 млрд. лет, или 5/6 возраста Вселенной, живут в состоянии равновесия. По-видимому, существует фундаментальная зависимость между количеством образовавшихся звезд и количеством образовавшихся тяжелых элементов. Речь идет об элементах, более тяжелых, чем водород и гелий.
Эта связь логична, поскольку изначально Вселенная состояла только из самых легких элементов. Все более тяжелые элементы, такие как углерод, кислород и железо, были созданы звездами позже. Поэтому самые первые галактики должны были быть «незагрязнены» тяжелыми, менее массивными элементами. Но до недавнего времени не было возможности заглянуть так далеко в прошлое. Джеймс Уэбб изменил ситуацию.
Наблюдения за галактиками, образовавшимися вскоре после Большого взрыва, проведенные под руководством Каспера Эльма Хайнца из Центра «Космический рассвет», выявили неожиданные физические и химические свойства. Возможно, ученым придется пересмотреть существующие модели формирования и эволюции галактик. Работа группы, создавшей эти открытия, опубликована в журнале Nature Astronomy.
Удивительно молодые галактики
Обычно чем массивнее галактика, тем тяжелее элементы. Однако последние наблюдения, похоже, ставят эту взаимосвязь под сомнение. Каспер Эльм Хайнц поясняет в пресс-релизе: «Проанализировав свет от 16 ранних галактик, мы обнаружили, что они содержат гораздо меньше тяжелых элементов, чем можно было бы ожидать, исходя из их звездных масс и количества новых звезд, которые они произвели».
Наиболее поразительное открытие касается уменьшения производства тяжелых элементов в древних галактиках, что резко противоречит прогнозам, основанным на наших знаниях о галактиках, образовавшихся позднее. В этих галактиках содержится в среднем в четыре раза меньше тяжелых элементов, чем в более старой Вселенной.
Нарушение космических правил
Эти результаты резко контрастируют с существующей моделью, согласно которой галактики на протяжении всей истории Вселенной развиваются в равновесном состоянии. Клаудия Лагос, доцент Университета Западной Австралии, говорит: «Казалось, что галактики следуют набору правил — но, что удивительно, эти космические правила, похоже, были резко переписаны в период становления Вселенной».
Лагос объясняет, что эта сингулярность обусловлена непрерывным поступлением нового газа из космического окружения. Этот постоянный приток нового газа в галактики разбавляет присутствующие в них тяжелые элементы, что приводит к снижению их концентрации по сравнению с тем, что наблюдается в более зрелых галактиках.
Такое разбавление тяжелых элементов имеет решающее значение для понимания природы и эволюции примитивных галактик. Тяжелые элементы играют ключевую роль в формировании звезд и структуры галактик, и их пониженное содержание позволяет предположить, что процессы формирования и эволюции этих древних галактик протекали по-разному.
Не такие уж и неточные теории?
Хотя примитивные галактики, казалось бы, не соответствуют современным правилам космологии, это было отчасти ожидаемо. Существующие теоретические модели формирования галактик, разработанные с помощью современных компьютерных симуляторов, уже предполагали подобные результаты. Однако впервые удалось наблюдать это непосредственно.
По мнению исследователей, все объясняется тем, что мы наблюдаем галактики, находящиеся в процессе формирования. Гравитация собрала вместе первые скопления газа, в которых начали формироваться звезды. Если бы галактики развивались изолированно, то тяжелые элементы быстро накапливались бы в результате звездной активности.
Однако в это время между галактиками присутствовали огромные запасы чистого, свежего газа, текущего к ним быстрее, чем могли компенсировать звезды. Это наблюдение предлагает нам новое видение начальных фаз галактического генезиса, раскрывая более глубокую связь с межгалактическим газом, чем предполагалось ранее.
Каспер Эльм Хайнц заключает: «Полученный результат позволяет нам впервые взглянуть на ранние стадии формирования галактик, которые, по-видимому, более тесно связаны с газом между галактиками, чем мы думали. Это одно из первых наблюдений Джеймса Уэбба по данной тематике. Мы еще ждем, что нам скажут более крупные и полные наблюдения, которые ведутся в настоящее время«.