В юной галактике обнаружены следы химических элементов, возникших в результате вспышек первых звезд Вселенной.
Десятилетиями астрономы пытались заглянуть в глубокое прошлое, используя возможности «Хаббла», чтобы запечатлеть эпоху зарождения первого поколения светил. Однако миниатюрные галактики, послужившие «кирпичиками» современного космоса, настолько тусклы, что долгое время оставались неуловимыми для земных приборов. Сегодня ситуация изменилась благодаря мощи космического телескопа «Джеймс Уэбб» и удачному стечению обстоятельств.
В недавней публикации в журнале Nature группа исследователей под руководством Кимихико Накадзимы из Университета Канадзава представила результаты изучения сверхслабой галактики LAP1-B, зафиксированной в состоянии, в котором она пребывала всего через 800 миллионов лет после Большого взрыва. На текущий момент это наиболее химически примитивный объект, известный науке.
Гравитационная линза как инструмент исследования
Галактика LAP1-B удалена от нас на 13 миллиардов световых лет. Даже совершенной оптики «Уэбба» оказалось бы недостаточно для фиксации столь слабого источника, если бы не природный усилитель — массивное скопление галактик MACS J046, расположенное по пути следования света. Искривляя пространство-время, это скопление сработало как мощная гравитационная линза, увеличив яркость далекой LAP1-B примерно в 100 раз.
Даже с учетом этого усиления, заметить «звездный континуум» — совокупное свечение звезд — не удалось. Однако для ученых это стало важным индикатором: расчеты показали, что общая масса звездного населения в этой галактике не превышает 3300 масс Солнца, что ничтожно мало по сравнению со 100 миллиардами солнечных масс в Млечном Пути. Основной сигнал, пойманный «Уэббом», исходил от ионизированного газа, который стал «окном» в эпоху ранней Вселенной.
Первичный химический облик
Исследователи предположили, что газ светится из-за мощного ультрафиолетового излучения первых звезд, вызывающего флуоресценцию межзвездных облаков. Спектральный анализ, проведенный с помощью инфракрасного спектрографа «Уэбба», выявил острую нехватку тяжелых элементов: доля кислорода в составе газа оказалась на уровне 0,4% от солнечной.
Ключевой уликой стали линии тройного ионизированного углерода. Чтобы «выбить» такое количество электронов из атомов углерода, требуется крайне жесткое излучение — более 47,9 эВ. Обычные звезды не обладают подобной температурой; такая активность характерна только для гипотетических звезд III популяции, состоявших исключительно из водорода и гелия — продуктов Большого взрыва.
Следы «спокойных» сверхновых
Звезды III популяции, согласно теории, были колоссальными объектами, сгорающими очень быстро и завершающими жизнь мощными взрывами. В LAP1-B ученые обнаружили странную аномалию: при крайне низком содержании тяжелых элементов уровень углерода оказался непропорционально высоким.
Накадзима и его коллеги объясняют это спецификой гибели первых звезд. При коллапсе массивного ядра в черную дыру энергия взрыва могла оказаться недостаточной, чтобы полностью уничтожить звезду. В результате часть тяжелых элементов (кислорода) «провалилась» обратно в черную дыру, а внешние, обогащенные углеродом слои звезды были выброшены в космос. Химический состав LAP1-B в точности соответствует следам такого избирательного выброса вещества.
Скрытая роль темной материи
Изучение доплеровского смещения линий излучения позволило измерить скорость вращения газа: около 58 км/с. Расчеты показали, что для удержания газа при такой скорости галактика должна иметь общую массу около 10 миллионов солнечных. Учитывая мизерную массу звезд и газа, ученые сделали вывод: основная доля массы LAP1-B приходится на темную материю. Именно это невидимое гало создало гравитационный «фундамент», позволивший сконденсироваться газу и запустивший звездообразование.
Живое ископаемое
Исследователи предполагают, что LAP1-B представляет собой промежуточное звено в эволюции космоса. В то время как ультра-слабые карликовые галактики, вращающиеся вокруг Млечного Пути, являются «мертвыми окаменелостями», LAP1-B была поймана астрономами в процессе своего формирования — буквально за мгновение до того, как эпоха реионизации нагрела межгалактический газ и навсегда остановила рождение новых светил в таких системах. Работа Накадзимы открывает новую главу в изучении истоков Вселенной, и поиск аналогичных «первозданных» галактик уже стал приоритетным направлением астрофизики.
