Телескоп Уэбба доказывает, что галактики трансформировали раннюю Вселенную

В ранней Вселенной газ между звездами и галактиками был непрозрачным — энергичный свет звезд не мог проникать сквозь него. Но через 1 миллиард лет после большого взрыва газ стал абсолютно прозрачным. Почему?

Как рассказывают в Центре космических полетов НАСА им. Годдарда, новые данные от космического телескопа "Джеймс Уэбб" позволили установить причину: звезды галактик излучали достаточно света, чтобы нагреть и ионизировать газ вокруг них, очистив нам весь вид за сотни миллионов лет.

Результаты, полученные исследовательской группой под руководством Саймона Лилли из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich), являются новейшими сведениями о периоде времени, известном как Эра реионизации, когда Вселенная претерпела драматические изменения.

Эти результаты были опубликованы в трех статьях в журнале The Astrophysical Journal 12 июня.

После Большого взрыва газ во Вселенной был невероятно горячим и плотным. В течение сотен миллионов лет газ остывал. Затем во Вселенной произошел "повтор". Газ снова стал горячим и ионизированным — вероятно, из-за образования ранних звезд в галактиках — и через миллионы лет стал прозрачным.

Исследователи давно искали окончательные доказательства для объяснения этих трансформаций. Новые результаты фактически приоткрывают занавес в конце периода реионизации.

"Уэбб не только четко показывает, что эти прозрачные области находятся вокруг галактик, мы также измерили их размеры", - объясняет Даичи Кашино из Университета Нагоя в Японии, ведущий автор первой статьи группы. "Благодаря данным Уэбба мы видим, как галактики реионизируют газ вокруг себя".

Эти регионы прозрачного газа гигантские по сравнению с галактиками — представьте себе воздушный шар, внутри которого подвешена горошина. Данные Уэбба показывают, что эти относительно крошечные галактики привели к реионизации, очистив массивные области пространства вокруг себя. В течение следующих ста миллионов лет эти прозрачные "пузыри" продолжали расти все больше и больше, в конце концов, сливаясь и вызывая прозрачность всей Вселенной.

Более 13 миллиардов лет назад, в эпоху реионизации, Вселенная была совсем другой. Газ между галактиками был в основном непрозрачным для энергичного света, что затрудняло наблюдение молодых галактик. Что позволило Вселенной стать полностью ионизированной и привело к "прозрачным" условиям, обнаруженным в большей части Вселенной сегодня? Исследователи с помощью космического телескопа "Джеймс Уэбб" обнаружили, что в основном за это ответственны галактики. Credits: NASA, ESA, CSA, Joyce Kang (STScI)

Команда Лилли намеренно выбрала время незадолго до окончания Эры реионизации, когда Вселенная была не совсем прозрачной и не совсем непрозрачной — она содержала в себе сплетение газа в разных состояниях. Ученые направили телескоп "Уэбба" в сторону квазара — чрезвычайно светящейся активной сверхмассивной черной дыры, которая при поедании материи очень сильно светится и действует как огромный фонарик, высвечивая газ между квазаром и нашими телескопами. (Найдите его в центре изображения ниже: он крошечный и розовый с шестью заметными дифракционными шипами).

Анализируя новые наблюдения космического телескопа "Джеймс Уэбб", исследователи нашли доказательства того, что галактики, которые существовали через 900 миллионов лет после Большого взрыва, ионизировали газ вокруг себя, в результате чего он стал прозрачным. Они также использовали "Уэбб" для точного измерения газа вокруг галактик, определив, что "пузырьки" ионизированного газа имеют радиус 2 миллиона световых лет вокруг крошечных галактик. В течение следующих ста миллионов лет "пузырьки" становились все больше и больше, в конце концов, слились и заставили всю Вселенную стать прозрачной. Credits: NASA, ESA, CSA, Simon Lilly (ETH Zürich), Daichi Kashino (Nagoya University), Jorryt Matthee (ETH Zürich), Christina Eilers (MIT), Rob Simcoe (MIT), Rongmon Bordoloi (NCSU), Ruari Mackenzie (ETH Zürich); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI) Ruari Macken

Когда свет квазара шел к нам через различные участки газа, он либо поглощался непрозрачным газом, либо свободно проходил через прозрачный газ. Новейшие результаты стали возможными только благодаря объединению данных "Уэбба" с наблюдениями центрального квазара от Обсерватории В.М. Кека на Гавайях, Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории и Магелланового телескопа в Обсерватории Лас-Кампанас в Чили.

"Освещая газ вдоль нашей линии визирования, квазар дает нам обширную информацию о составе и состоянии газа", - пояснила Анна-Кристина Эйлерс из Массачусетского технологического института в Кембридже, ведущий автор другой статьи команды.

Затем исследователи использовали "Уэбб" для идентификации галактик вблизи этой линии визирования и показали, что галактики, как правило, окружены прозрачными областями радиусом около 2 миллионов световых лет. Другими словами, "Уэбб" наблюдал галактики в процессе очистки пространства вокруг них в конце Эры реионизации. Чтобы представить это в перспективе, площадь, которую очистили эти галактики, примерно равна расстоянию между нашей галактикой Млечный Путь и ближайшей соседкой Андромедой.

До сих пор у исследователей не было такого точного доказательства того, что вызвало реионизацию — до "Уэбба" они не были уверены, что именно стало причиной.

Как выглядят эти галактики? "Они более хаотичны, чем те, что находятся в близлежащей Вселенной", - объясняет Джоррит Матти, также из ETH Zürich и ведущий автор второй статьи команды. "Вебб показывает, что они активно формировали звезды и, по-видимому, извергали множество сверхновых. У них была весьма авантюрная молодость!"

Попутно Эйлерс использовала данные "Вебба", чтобы подтвердить, что черная дыра в квазаре в центре этого поля является самой массивной из известных в настоящее время в ранней Вселенной, ее масса в 10 миллиардов раз превышает массу Солнца.

"Мы до сих пор не можем объяснить, как квазары смогли вырасти настолько большими на таком раннем этапе истории Вселенной", - поделилась она. "Это еще одна загадка, которую предстоит решить!"

Отличные снимки от "Уэбба" также не обнаружили никаких признаков того, что свет от квазара подвергся гравитационному линзированию, что гарантирует точное измерение массы.

В ближайшее время команда должна погрузиться в исследование галактик в пяти дополнительных полях, каждое из которых опирается на центральный квазар. Результаты, полученные "Уэбба" в первом поле, были настолько очевидны, что исследователям не терпелось поделиться ими.

"Мы ожидали обнаружить несколько десятков галактик, существовавших в эпоху реионизации, но с легкостью смогли выделить 117", - пояснил Кашино. "Уэбб превзошел наши ожидания".

Исследовательская группа Лилли "Галактики с эмиссионными линиями и межгалактический газ в эпоху реионизации" (EIGER) продемонстрировала уникальную возможность объединения обычных изображений, полученных с помощью NIRCam (Камеры ближнего инфракрасного диапазона) "Уэбба", с данными широкопольной бесщелевой спектроскопии того же прибора, который дает спектр каждого объекта на снимках, превращая "Уэбб" в то, что команда называет "зрелищной спектроскопической машиной красных сдвигов".

Публикации команды:

• "EIGER I. Большая выборка [O iii]-излучающих галактик при 5.3 < z < 6.9 и прямые доказательства локальной реионизации галактик" , под руководством Кашино,
• "EIGER II. Первая спектроскопическая характеризация молодых звезд и ионизированного газа, связанных с сильным излучением линий Hβ и [OIII] в галактиках при z = 5-7 с помощью JWST" , под руководством Матти,
• "EIGER III. Наблюдения JWST/NIRCam сверхсветового квазара J0100+2802" под руководством Эйлерса.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.