Астрономы с помощью данных телескопа «Джеймс Уэбб» обнаружили 83 чрезвычайно компактные, но активно формирующие звезды галактики, которые могли сыграть ключевую роль в процессе реионизации — одной из самых важных фаз эволюции космоса.
Новое открытие было презентовано на 246-й встрече Американского астрономического общества в Анкоридже (Аляска). Оно основано на наблюдениях программы UNCOVER, проведённых с помощью инструментов «Уэбба» — NIRCam и NIRSpec.
Открытые галактики имеют красное смещение z ≈ 7, что указывает на возраст около 800 миллионов лет после Большого взрыва. В это время Вселенная претерпевала важные физико-химические изменения. Первые сотни миллионов лет космос был затянут туманом нейтрального водорода, который поглощал ультрафиолетовый свет. Реионизация завершила эту «космическую темную эпоху», превратив нейтральный газ в ионизированную плазму, прозрачную для света.
Группа под руководством Исака Вольда из NASA Goddard Space Flight Center и Catholic University of America установила, что эти карликовые галактики производят чрезмерное количество ультрафиолетового излучения по сравнению с их массой. Благодаря эффекту гравитационного линзирования скопления Abell 2744 удалось зарегистрировать характерное излучение дважды ионизированного кислорода — важного признака интенсивного звездообразования.
Открытие указывает на то, что мелкие галактики играли главную роль в эпоху реионизации, а не крупные галактики или сверхмассивные черные дыры.
Скопление крошечных, но мощных галактик
Галактики, открытые группой NASA–UNCOVER, имеют чрезвычайно компактную структуру: для достижения звездной массы, равной массе Млечного Пути, понадобилось бы от 2000 до 200 000 таких галактик. Тем не менее, эти галактики стали одними из главных кандидатов на объяснение энергетического вклада, необходимых для реионизации Вселенной. Причина кроется в их интенсивном звездообразовании (так называемых «звездных вспышках») и малой массе, что облегчает выход ультрафиолетового излучения.
Галактики с малой массой удерживают меньше нейтрального газа, что облегчает прохождение ионизирующего излучения сквозь межзвездное пространство и в межгалактическую среду. Быстрые процессы звездообразования генерируют звездные ветры и излучение, способствующие формированию «коридоров» в газе и выходу УФ-фотонов. Такой механизм наблюдается в современных галактиках, таких как «зеленые горошины», выделяющие до 25% своего ионизирующего излучения во внешнее пространство.
Чтобы обнаружить эти галактики астрономы применили метод поиска линии излучения дважды ионизированного кислорода (OIII), который испускал зеленый свет в ранней Вселенной. С расширением Вселенной это излучение сместилось в инфракрасный диапазон, регистрируемый телескопом «Джеймс Уэбб». Совмещение спектроскопического анализа и гравитационного линзирования позволило наблюдать объекты, которые в обычных условиях оказались бы слишком тусклыми для обнаружения. Это открывает новое окно в изучении древнейших галактик.
Наблюдение за скрытым с помощью гравитационного линзирования.
Исследование использовало скопление Abell 2744 в качестве гравитационной линзы. Это массивное скопление, находящееся примерно в 4 миллиардах световых лет от Земли, искривляет свет от объектов, расположенных ещё дальше, увеличивая их яркость. Программа UNCOVER воспользовалась этой естественной линзой для наблюдения участков неба, которые иначе остались бы незаметны. В результате телескоп «Уэбб» смог зафиксировать детали чрезвычайно тусклых галактик, критически важных для понимания эволюции Вселенной.
Изображения, полученные камерой NIRCam, проанализировали на наличие точечных источников, показывающих активное звездообразование. Двадцать из этих галактик изучили более детально с помощью спектрографа NIRSpec, что позволило получить информацию о химическом составе и физических характеристиках межзвездного газа. Наличие зеленой линии ионизированного кислорода подтвердило высокую энергию происходящих процессов.
Открытие входит в ряд исследований, для которых создан телескоп «Джеймс Уэбб»: понимание происхождения первых галактик и преобразований Вселенной в первые миллиарды лет ее существования. Результаты команды UNCOVER позволяют предположить, что небольшие и трудноуловимые галактики оказали непропорционально большое влияние, сыграв решающую роль в процессе, сделавшем Вселенную прозрачной для света.