Астрофизики, работающие с JWST, обнаружили удивительное количество металла в галактике всего через 350 миллионов лет после Большого взрыва. Как это согласуется с нашим пониманием Вселенной?
Происхождение первых металлов Вселенной является фундаментальным вопросом астрофизики. Вскоре после Большого взрыва Вселенная почти полностью состояла из водорода, самого простого из элементов. Гелия было немного, лития еще меньше и, возможно, бесконечно малое количество бериллия. Если вы посмотрите на периодическую таблицу элементов, то это первые четыре.
В астрономии металлами называют все элементы тяжелее водорода и гелия. Металлы производятся в звездах и нигде больше (за исключением небольшого количества, произведенного самим Большим взрывом). Отслеживание формирования металлов Вселенной от Большого взрыва до наших дней является одним из фундаментальных поисков астрофизики.
Металличность — фундаментальное понятие в нашем изучении Вселенной. Без металлов не могут образоваться каменистые планеты. И жизнь не может. За последующие поколения звезд металличность Вселенной увеличивалась. Итак, существует основная траектория, которая берет свое начало от первых металлов и ведет прямо к нам.
Исследование древних галактик — одна из главных задач космического телескопа Джеймса Уэбба. Расширенное глубокое внегалактическое исследование JWST (JADES) исследовало область неба в поисках слабых ранних галактик. Взглянув в далёкое прошлое на ранние галактики Вселенной, JWST проливает свет на древнюю металличность.
Команда исследователей, работающая с наблюдениями JADES, исследовала галактику всего через 350 миллионов лет после Большого взрыва и обнаружила углерод. Возможно, они также обнаружили кислород и неон — все металлы, используемые в астрономии. Ведущий автор нового исследования — Франческо Д’Эудженио из Института космологии Кавли в Кембридже.
Первые звезды, образовавшиеся во Вселенной, называются звездами населения III. Это самые древние звезды, массивные, яркие и горячие, почти не содержащие металлов. Крошечное количество металлов, которое они содержали, произошло от первых сверхновых среди их числа.
Большая часть наших знаний о звездах населения III носит теоретический характер, поскольку эти древние звезды в их древних галактиках чрезвычайно трудно наблюдать. Но JWST на это способен. Он не может обнаруживать отдельные звезды, но его мощный инструмент NIRSpec может обнаруживать различные элементы в галактике по характерным световым признакам.
Это новое исследование основано на галактике с z=12,5 вблизи Космического Рассвета, критической эпохи в истории Вселенной. Когда исследователи изучили наблюдения JWST, они обнаружили неожиданное количество углерода в галактике. Это либо межзвездная среда (ISM), либо окологалактическая среда (CGM). «Это самое отдаленное обнаружение металлического перехода и самое отдаленное определение красного смещения с помощью эмиссионных линий», — объясняют они. Это также «самое отдаленное свидетельство химического обогащения», обнаруженное на сегодняшний день.
Это обнаружение напрямую противоречит нашему пониманию звезд безметаллового населения III группы. «Обнаружение C III и его высокой EW (эквивалентной ширины) исключает сценарии существования нетронутого звездного населения», — пишут авторы.
Если Уэбб исключил существование нетронутых, не содержащих металлов звезд населения III, это большая новость. Это еще один пример того, как мощный космический телескоп переворачивает наши лучшие объяснения Вселенной, которую мы видим вокруг нас. Но это не совсем шокирует; существование звезд населения III является теоретическим. Учитывая все, что мы знаем о Вселенной, их существование имело смысл.
Но звезды популяции III никогда не были чем-то несомненным.
Когда что-то подобное обнаруживается, ученые стараются рассмотреть все возможные объяснения того, что они видят.
Действительно ли они видят углерод в звездах этой далекой древней галактики? Или за этими выбросами может стоять что-то еще? В древней галактике есть нечто большее, чем просто звезды. Здесь также находится сверхмассивная черная дыра (СМЧД). Когда СМЧД питается материей, она может ярко вспыхивать как активное галактическое ядро (АЯГ). Этот световой сигнал может быть тем, что видит JWST.
«Более того, в этой галактике была обнаружена сверхмассивная аккрецирующая черная дыра, что позволяет предположить, что необычное химическое содержание может быть в первую очередь связано с ее ядерной областью», — объясняют исследователи.
В галактике есть еще один потенциальный источник углерода. Это звезды AGB — асимптотические звезды ветви гигантов. Звезды AGB не являются большими взрывными звездами, как прародители сверхновых, но это большие звезды, покинувшие главную последовательность. По сравнению со сверхновыми, звезды AGB производят металлы мягко.
Но звезде требуется много времени, чтобы превратиться в звезду AGB. Когда Вселенной было всего 350 миллионов лет, ни одна звезда не прожила достаточно долго, чтобы стать AGB. «…Звезды AGB не могут способствовать обогащению углеродом в эти ранние эпохи», — пишут авторы.
В конце концов, исследователи сообщают об обнаружении углерода, но не могут точно сказать, откуда он взялся. Они могут быть «… наследием первого поколения сверхновых от прародителей Популяции III», пишут они.
JWST был задействован на пределе своих возможностей, чтобы увидеть эту раннюю галактику. «Это обнаружение самого отдаленного металлического перехода, которое предоставило такую ценную информацию о самых ранних стадиях химического обогащения, потребовало очень длительного воздействия», — объясняют авторы. Сбор этих данных занял 65 часов по времени JWST из-за крайней слабости галактики.
Даже несмотря на все это время наблюдений, исследователи могут прийти лишь к предварительным объяснениям металличности, которую они видят. Не очень практично использовать 65 часов времени JWST для спектроскопического изучения галактики, но это то, что JWST необходимо сделать для такой точной спектроскопии. Это может измениться в будущем.
«Однако в будущем исследования больших площадей и гравитационные линзы могут помочь идентифицировать больше галактик с большим красным смещением, которые достаточно яркие для глубокого спектроскопического наблюдения с более короткими экспозициями», — пишут исследователи.
Когда и если это произойдет, астрофизики получат столь желанный больший размер выборки. Имея в руках эти ценные данные, возможно, они смогут найти более точное объяснение этой удивительной находки.
