Определение расстояний до космических объектов представляет собой сложную задачу, особенно когда речь идет об объектах, расположенных близко друг к другу на небе, и излучение одного из них затрудняет наблюдение за другим. Специалисты, работающие над проектом JADES, предложили способ обнаружения наиболее ранних галактик, сформировавшихся во Вселенной. Две из них установили новый рекорд: мы видим их в том виде, в котором они существовали примерно через 300 миллионов лет после Большого взрыва.
Сразу после начала эксплуатации космический телескоп «Джеймс Уэбб» приступил к поиску потенциальных первых галактик Вселенной. По мнению ученых, даже наиболее оптимистичные представления о формировании звезд и галактик не предполагали возможность обнаружения объектов, существовавших настолько рано – менее чем через 370 миллионов лет после Большого взрыва (при красном смещении свыше 12).
Первые галактики демонстрируют высокую светимость и обладают массой, достигающей десятков и тысяч миллионов солнечных масс. Звезды, входящие в их состав, находятся на ранних стадиях своего развития — их возраст варьируется от нескольких десятков миллионов до миллиарда лет. Эти галактики характеризуются компактными размерами, с радиусом, не превышающим одного килопарсека (около 3,3 тысячи световых лет). В них наблюдается интенсивное формирование звезд, происходящее со скоростью от 50 до 100 солнечных масс в год.
Рассматриваемым по отдельности, эти объекты не выглядят чем-то экстраординарным, если учитывать особенности развития молодой Вселенной. Однако, при одновременном анализе возникает ощущение их избыточности, поскольку с момента Большого взрыва прошло лишь несколько сотен миллионов лет.
Для изучения статистики подобных объектов был инициирован проект JADES Origin Field. В процессе реализации проекта ученые анализируют данные, полученные с помощью телескопа «Джеймс Уэбб», чтобы определить потенциальных кандидатов в самые далекие галактики. При этом они исключают галактики, расположенные значительно ближе к Земле, но демонстрирующие по некоторым характеристикам спектра сходство с первыми галактиками, сформировавшимися во Вселенной.
В работе, выложенной в открытый доступ на сайте ArXiv, астрономы обнародовали предварительные итоги исследования, проведенного в рамках проекта. В ходе работы было выявлено девять объектов с красным смещением в диапазоне от 12 до 15, что соответствует периоду менее 370 миллионов лет после начала существования Вселенной. Диаметр этих объектов варьируется от 50 до 200 парсек, возраст их звезд – от 30 до 50 миллионов лет, а интенсивность звездообразования составляет 0,1-10 солнечных масс в год. Авторы научной работы утверждают, что их разработанная методика позволит выявлять и более старые галактики.
Среди рассматриваемых объектов оказалась галактика JADES-GS-z14-0. Более года назад команда JADES обратила на нее внимание. Изначально возникла сложность, связанная с расположенной рядом галактикой, оказавшейся гораздо ближе. Ее излучение искажает спектр удаленной галактики, что породило предположение о близости этих объектов. Однако эта близость на небесном своде имеет и преимущество: гравитационное линзирование делает далекую галактику немного ярче, что облегчает ее исследование.
Убедившись, что эти объекты не являются соседними, в октябре 2023 года команда проекта JADES провела дополнительные исследования JADES-GS-z14-0 с помощью телескопа «Джеймс Уэбб». Полученные спектроскопические данные подтвердили ее выдающуюся величину красного смещения — 14,32. Это позволяет нам увидеть ее в том виде, какой она предстала через 290 миллионов лет после Большого взрыва.
«Теперь JADES-GS-z14-0 служит образцом для понимания этого явления (связанного с формированием крупных и плотных галактик в ранней Вселенной. — Прим. ред.) . Поразительно, что формирование такой галактики заняло у Вселенной всего 300 миллионов лет», — объяснил важность открытия Стефано Карниани, главный автор исследования с описанием галактики, опубликованного на сайте препринтов ArXiv.
Ученые провели исследование еще одной галактики, получившей название JADES-GS-z14-1. Ее красное смещение составляет z = 13,9, что позволяет наблюдать ее в том виде, в котором она существовала приблизительно через 303 миллиона лет после Большого взрыва.
За последние 100 миллионов лет обе галактики увеличили свою массу. Они обладают высокой светимостью, однако древнейшая из них выделяется исключительной яркостью. Несмотря на эффект красного смещения, она является третьей по интенсивности излучения в ультрафиолетовом диапазоне среди 700 галактик JADES с аналогичным красным смещением, что соответствует возрасту Вселенной менее 646 миллионов лет).
«Галактика, несмотря на свою молодость, демонстрирует активное формирование химических элементов, известных нам по земным образцам», — прокомментировал Цзыхао У (Zihao Wu), один из авторов второй работы.
JADES проводит поиск в ограниченном участке небесной сферы. Обнаружение столь древних и ярких галактик астрономами проекта свидетельствует о большом количестве подобных объектов. Технология, созданная исследователями, представленными в первой публикации, позволит выявить еще больше таких объектов и, в конечном итоге, понять, как в ранней Вселенной так стремительно сформировались столь масштабные структуры.