Ученые выяснили, что особенная космическая пыль помогла объяснить свечение древних галактик

Новости МирТесен

Астрономы, вероятно, обнаружили объяснение одной из самых больших тайн, выявленных космическим телескопом «Джеймс Уэбб». В центре внимания оказались необычайно яркие галактики ранней Вселенной, испускающие значительно больше ультрафиолетового излучения, чем это предполагалось существующими моделями. Согласно новому исследованию, причиной такого явления могла стать специфическая космическая пыль, возникшая вследствие взрывов сверхновых.

Начав наблюдение за самыми ранними этапами развития Вселенной, ученые предполагали, что далекие галактики будут выглядеть тусклыми и заслоненными плотными облаками пыли. Но полученные данные оказались непредсказуемыми. Оказалось, что многие галактики, сформировавшиеся менее чем через 550 миллионов лет после Большого взрыва, демонстрировали исключительную яркость в ультрафиолетовой области спектра. Их светимость существенно отличалась от ожиданий, основанных на теоретических моделях.

Устоявшимся является мнение, что молодые галактики, в которых активно формируются звезды, должны обладать значительными запасами пыли. Эта пыль способна эффективно поглощать ультрафиолетовое излучение, препятствуя его свободному выходу из галактики. Астрономы описывают это явление как ослабление или снижение интенсивности излучения. В случае недостатка пыли или ее слабой способности к поглощению ультрафиолета, галактика предстает более яркой.

На основе первичных данных, полученных телескопом «Джеймс Уэбб», ученые выдвинули ряд гипотез, объясняющих этот феномен. В числе рассматриваемых вариантов были интенсивные вспышки звездообразования, высокоэффективный процесс формирования звезд, наличие скрытых черных дыр и уникальные характеристики пыли в ранних галактиках. По мере накопления информации, версия об аномальных свойствах пыли стала наиболее привлекательной для исследователей, поскольку она соответствовала наблюдаемым данным и не предполагала существования экзотических физических процессов.

Изначально предполагалось, что сильные звездные ветры и взрывы сверхновых способны удалять пыль из молодых галактик. Но данные, полученные с помощью телескопа «Джеймс Уэбб» и радиотелескопа ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), выявили объекты, известные как GALDAs — галактики с крайне низким уровнем затухания пыли. При этом эти галактики сохраняли значительные запасы газа, причем в некоторых из них доля газа превышала 90%. Если бы пыль была вынесена за пределы галактики мощными выбросами вещества, то вместе с ней исчез бы и газ. Это указывало на то, что объяснение лежит в иной плоскости.

В современных галактиках пыль преимущественно образуется в течение длительного времени. Микроскопические частицы пыли на протяжении миллиардов лет аккумулируют тяжелые элементы из окружающей газовой среды. Однако в эпоху ранней Вселенной для подобных процессов не было достаточного времени. Следовательно, основным источником пыли в то время, вероятно, стали взрывы сверхновых — гибели массивных звезд.

Пыль, образовавшаяся в процессе взрыва сверхновых, претерпевает существенные изменения. После взрыва через выброшенное вещество проходит обратная ударная волна, которая разрушает мельчайшие пылевые частицы и существенно сокращает их общую массу. В итоге, сохраняются преимущественно крупные зерна, обладающие пониженной способностью к поглощению ультрафиолетового излучения и остающиеся относительно «прозрачными» для него.

В рамках нового исследования, возглавляемого Д. Бургареллой из Лаборатории астрофизики Марселя, авторы решили более детально исследовать влияние пыли на формирование ранних галактик. В своей работе ученые обратили внимание на непрозрачность пыли – ее способность поглощать свет. Для анализа была разработана модель, которая учитывает три основных аспекта: известные оптические характеристики пыли, связанной со сверхновыми, зависимость непрозрачности от количества тяжелых элементов в галактике, а также расположение звезд и пылевых облаков в пространстве внутри галактик.

Применение данной модели к компьютерному моделированию популяций галактик дало результаты, согласующиеся с наблюдениями, полученными с помощью телескопа «Джеймс Уэбб». Для получения этих результатов ученым не потребовалось включать в расчеты нестандартные процессы звездообразования или приписывать звездам необычные характеристики. Кроме того, модель позволила логично объяснить возникновение GALDAs в ранней Вселенной и их незначительное количество в настоящее время.

Расчеты показывают, что слабое ослабление ультрафиолетового излучения обусловлено составом пыли сверхновых: она в основном состоит из крупных частиц и распределена в галактиках не равномерно, формируя пористую структуру. Излучение проходит через пространства между скоплениями пыли, что делает галактики визуально очень яркими.

также указывает на существование переходного режима формирования пыли. Пока содержание тяжелых элементов в галактике остается ниже примерно одной десятой солнечного уровня, доминирует пыль сверхновых и затухание света остается слабым. Когда металличность становится выше, начинает преобладать обычный рост пылевых зерен в межзвездной среде, а поглощение ультрафиолета усиливается. Теоретически такой переход предсказывался давно, однако галактики, обнаруженные «Джеймсом Уэббом», могут быть первым прямым подтверждением этого процесса в ранней Вселенной.

Наибольший интерес для ученых вызывают самые бедные тяжелыми элементами объекты из рассматриваемой выборки. По мнению исследователей, их пыль может являться непосредственным отголоском звезд населения III – первых звезд во Вселенной, сформированных преимущественно из водорода и гелия. Эти звезды до настоящего времени не были непосредственно зафиксированы. Тем не менее, взрывы сверхновых, произошедших с их участием, могли породить крупнозернистую и слабо поглощающую пыль, что необходимо для интерпретации данных, полученных телескопом «Джеймс Уэбб». Особенности ослабления света, химический состав галактик и их инфракрасное излучение потенциально могут служить индикаторами наличия этой древней пыли.

Авторы указывают на то, что делать окончательные выводы на данном этапе преждевременно. Несмотря на то, что предложенная модель демонстрирует хорошее соответствие наблюдаемым популяциями галактик, свойства пыли, образующейся при взрывах сверхновых в ранней Вселенной, остаются недостаточно понятными. Ученые подчеркивают, что состав и характеристики пылевых зерен могли существенно варьироваться в зависимости от конкретной галактики. В дальнейшем, для уточнения этих параметров, планируются новые наблюдения с применением инфракрасных инструментов космического телескопа «Джеймс Уэбб» и радиотелескопа ALMA.