Инфракрасные наблюдения, выполненные с помощью космического телескопа James Webb (JWST), позволили группе астрономов из Университета Миссури выявить 300 аномально ярких объектов в отдаленных областях космоса. Применение специальной методики отбора и использование инструментов NIRCam и MIRI телескопа для изучения этих объектов позволяет предположить, что они могут представлять собой одни из древнейших галактик, возникших в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва.
В статье, опубликованной в The Astrophysical Journal, сообщается, что многие из этих объектов демонстрируют признаки, соответствующие очень высокому красному смещению – заметному смещению их света в красную область спектра, вызванному расширением Вселенной. Такие высокие значения красного смещения свидетельствуют о том, что свет был испущен миллиарды лет назад, в период формирования первых звезд и галактик. Тем не менее, вероятно, что большинство этих объектов – это пылевые галактики, расположенные относительно недалеко, или они имеют чрезвычайно красные цвета, что создает иллюзию большей древности.
Среди 300 рассмотренных кандидатов спектроскопические измерения уже выполнены для семи: шесть оказались галактиками на промежуточном расстоянии (с красным смещением около 3, что соответствует 11 миллиардам световых лет), а одна была подтверждена с красным смещением 8,679 – свет от этой галактики был испущен более 13,1 миллиарда лет назад. Несмотря на то, что эта галактика сама по себе не противоречит современным моделям, возможность существования других объектов с сопоставимой светимостью в столь ранние эпохи, что соответствует предыдущим наблюдениям, сделанным телескопом Webb, может предоставить новые сведения о формировании массивных галактик.
Метод dropout и «Лаймановский разрыв»
Для определения кандидатов применялся метод dropout, опирающийся на физический эффект, известный как «Лаймановский разрыв». В ультрафиолетовом излучении молодых звезд, исходящем из очень далеких галактик, нейтральный водород в межгалактическом пространстве вызывает поглощение. Этот процесс происходит на конкретных длинах волн, формируя отчетливый «разрыв» в спектре галактики. На более коротких, синих длинах волн, сигнал практически отсутствует, тогда как на более длинных, красных, галактика вновь становится заметной.
С увеличением расстояния до объекта это смещение перемещается в красную область спектра вследствие расширения Вселенной и обусловленного им красного смещения. Для очень удалённых галактик Лаймановский разрыв может оказаться за пределами видимого света, переместившись в инфракрасный диапазон. Телескоп JWST, оснащенный инструментами NIRCam и MIRI, был разработан специально для регистрации такого света, «растянутого» временем и пространством.
На практике, ученые выявляют объекты, которые «пропадают» на изображениях, полученных в синей части спектра, но отчетливо различимы в красной. Это свидетельствует о возможном большом красном смещении. Отобранные кандидаты затем подвергаются анализу методом подгонки спектрального распределения энергии (SED fitting), в ходе которого сравнивается распределение яркости объекта по всем наблюдаемым диапазонах с теоретическими моделями. Это позволяет не только определить красное смещение, но и оценить физические характеристики, включая массу звезд, возраст звездного населения и скорость звездообразования.
Разнообразие объектов: от близких до далеких
Согласно результатам анализа, приблизительно две трети обнаруженных объектов, скорее всего, представляют собой относительно близкие галактики со степенью красного смещения от 1 до 4. Это означает, что свет от них был испущен от 8 до 11 миллиардов лет назад. Наблюдается интенсивное инфракрасное излучение, которое, вероятно, обусловлено высоким содержанием пыли или интенсивным процессом звездообразования.
У значительной части выборки (более 7%) наблюдаются признаки, соответствующие гораздо более ранним этапам эволюции Вселенной. Их красное смещение превышает 6, что указывает на возраст Вселенной менее миллиарда лет. Предварительные расчеты показывают, что массы этих галактик могут достигать 10^10,5 солнечных масс (эквивалент 31 миллиарду солнечных масс), а их ультрафиолетовая светимость — быть исключительно высокой. Это делает их особенно полезными для исследования процессов, приведших к образованию первых структур во Вселенной.
Примерно половина этих объектов характеризуется компактной формой, а 38% имеют дискообразную структуру. Существование хорошо организованных галактических дисков на столь ранних этапах эволюции Вселенной ранее признавалось маловероятным, однако данные, полученные с помощью телескопа JWST, постепенно пересматривают это представление.
Роль спектроскопии
Для окончательного определения природы этих объектов необходимо провести спектроскопию. Этот метод позволяет разделить свет на составляющие компоненты и определить характерные спектральные линии, предоставляя сведения о возрасте, химическом составе и эволюции галактики.
На данный момент спектроскопически подтвержден только один источник как галактика ранней Вселенной, однако изученная выборка представляет собой значимую цель для дальнейших наблюдений с помощью JWST и других телескопов. Даже если небольшое количество кандидатов окажется объектами с экстремально высоким красным смещением, это может потребовать пересмотра современных теорий, объясняющих быстрое формирование массивных галактик в первые 500 миллионов лет после Большого взрыва.