Древнейшие галактики Вселенной кажутся крошечными по сравнению с размерами небесной сферы, их можно сравнить с песчинкой, видимой на вытянутой руке. Обнаружение этих объектов оказалось сложной задачей, а расшифровка их излучения — еще более трудоемкой. В рамках недавнего исследования астрономы определили массу, содержание тяжелых элементов и темпы звездообразования в самой ранней на текущий момент известной галактике, JADES-GS-z14-0.
В 2024 году ученые, работающие в рамках проекта JADES Origin Field, с помощью спектроскопии занимаются поиском возможных кандидатов в древнейшие галактики подтвердили открытие рекордсмена — галактики JADES-GS-z14-0 с красным смещением 14,32. Мы видим ее такой, какой она была через 290 миллионов лет после Большого взрыва. На небе она соседствует с гораздо более близкой к нам галактикой, которая своей гравитацией удачно усиливает свет далекого объекта, хоть и «засоряет» его излучением.
Как правило, астрономы выявляют галактики на основе их общей яркости и характеристик излучения, а для углубленного анализа применяют спектроскопические измерения, которые требуют более длительного времени наблюдений. С помощью спектра галактики анализируют ее состав, распределение различных типов звезд, интенсивность звездообразования и другие параметры.
С помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб», оснащенного высокочувствительным спектрографом NIRSpec, ученые исследуют галактику JADES-GS-z14-0. Однако возникает сложность: из-за эффекта красного смещения характерные спектральные линии излучения смещаются в область спектра, недоступную для NIRSpec. В то же время, они попадают в диапазон прибора MIRI, предназначенного для работы со средним инфракрасным излучением.
Инструмент MIRI также располагает спектрографом, однако его возможности скромнее. Для сбора требуемых данных потребовалось около девяти дней работы телескопа «Джеймс Уэбб». Сопоставив данные, полученные с помощью MIRI, с результатами, полученными другими инструментами, астрономы смогли более детально изучить древнейшую галактику JADES-GS-z14-0. Для анализа ученые дополнительно использовали компьютерное моделирование, чтобы протестировать различные гипотезы относительно эволюции и формирования звезд в этой галактике. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.
По оценкам, масса звезд в галактике JADES-GS-z14-0 составляет около 500 миллионов солнечных масс, что примерно в десять раз меньше массы нашей галактики Млечный Путь. Годовая скорость звездообразования достигает 25 солнечных масс, что согласуется с данными о формировании звёзд в галактиках ранней Вселенной. Заметим, что плотность звездообразования в этой галактике крайне высока и сравнима с интенсивностью вспышек звездообразования, наблюдаемых в современной Вселенной.
При составлении этих оценок учитываются только самые крупные и заметные звезды. Однако, скорее всего, звезды меньшего размера там попросту не могут формироваться: реликтовое излучение остается слишком интенсивным, а межзвездном газе и пыли не хватает тяжелых химических элементов. Кстати, о тяжелых элементах: в древнейшей галактике JADES-GS-z14-0 было обнаружено значительное количество кислорода. Согласно теоретическим расчетам, для образования такого запаса кислорода галактике потребовалось бы формировать звезды на протяжении как минимум 100 миллионов лет к моменту ее обнаружения. Кстати, недавно ученые объяснили, возникает вопрос, каким образом первые звезды могли обогатить Вселенную кислородом задолго до формирования первых галактик, хотя пока не установлено, сохранился ли этот кислород в процессе их становления.
Для углубленного анализа кислорода и других элементов в JADES-GS-z14-0 необходимы дополнительные данные наблюдений. Как продемонстрировало исследование, инструменты, предназначенные для работы со средним инфракрасным излучением, могут быть эффективно применены для изучения самых ранних галактик.