JWST обнаружил, что ранние галактики уже наполняли Вселенную тяжелыми элементами

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) обнаружил, что уже через 500 миллионов лет после Большого взрыва галактики переносили в межгалактическое пространство элементы, тяжелее водорода и гелия.

Об этом рассказывают в Университете Аризоны, передают OstanniPodii.com.

Когда Вселенная ещё находилась в зародышевом состоянии — всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва, или примерно 3 % от её нынешнего возраста — некоторые из самых первых звёзд и галактик Вселенной уже сформировались. Астрономы уже давно предполагали, что значительная часть газа, окружавшего эти молодые галактики, должна была оставаться достаточно «нетронутой», состоящей преимущественно из водорода и гелия — первичных элементов, доступных в новорождённом космосе.

Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале «Nature Astronomy», эта картина, вероятно, неверна. Напротив, гораздо раньше, чем ожидали астрономы, галактики насыщали космос тяжёлыми элементами, такими как кислород и углерод.

«Мы наблюдали, что тяжёлые элементы выходили из галактик очень-очень рано в космическом времени», — говорит Йонгда Чжу, первый автор работы, постдокторант кафедры астрономии Университета Аризоны и обсерватории Стюарда. «Галактики не только производили эти элементы, но и распространяли их, возможно, заселяя ими другие галактики».

Как во Вселенной появились элементы

В ранней Вселенной космос почти не содержал ничего, кроме водорода и гелия — двух простейших элементов, занимающих самые верхние позиции в периодической таблице. Со временем гравитация сгустила облака этих простых элементов, образовав звезды, где огромное давление и температура внутри позволили ядерному синтезу и другим реакциям образовать более сложные, более тяжёлые элементы, такие как углерод и кислород.

Когда звёзды выгорали или заканчивали свою жизнь в виде сверхновых, они выбрасывали эти тяжёлые элементы в космос, где они стали строительным материалом для будущих поколений звёзд, планет и, в конечном итоге, жизни. Даже углерод в наших телах и кислород, которым мы дышим, были образованы в предыдущих поколениях звёзд.

Однако до сих пор не было понятно, как и когда более тяжёлые элементы переносились из самых первых галактик в окружающую Вселенную.

Взглянув на ранние галактики

Исследование сосредоточилось на трёх ранних галактиках, свет от которых путешествовал более 13 миллиардов лет, показывая их такими, какими они были примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва, во время космического периода, известного как Эпоха реионизации. В то время первые поколения звёзд и галактик преобразовывали раннюю Вселенную, ионизируя водород вокруг себя. Этот процесс, в ходе которого электроны отрывались от ядер водорода, постепенно положил конец космическим «тёмным векам», позволив ультрафиолетовому свету более свободно распространяться по Вселенной.

«Мы использовали сами галактики в качестве источников фонового света», — говорит Чжу. «Пока свет от галактик двигался к Земле, он проходил через окружающий газ, и мы смогли проанализировать характеристики поглощения света, чтобы выявить конкретные элементы».

Наблюдения за этими древними галактиками стали возможными только благодаря инфракрасным возможностям JWST, что позволило исследователям увидеть галактики такими, какими они были примерно 13 миллиардов лет назад. Почти 30 часов экспозиции обеспечили достаточное количество света для обнаружения слабых линий поглощения в спектрах этих удаленных галактик.

В течение одной долгой ночи Чжу вручную просмотрел общедоступные спектры JWST от сотен галактик и определил три, в которых паттерны поглощения указывали на наличие тяжёлых элементов, в частности углерода, кислорода и кремния. Линии поглощения имели «синий сдвиг» относительно красного сдвига галактик, что свидетельствовало о том, что газ двигался наружу от галактик и переносил кислород, углерод и другие тяжёлые элементы в межгалактическое пространство.

Химические «отпечатки» этих молодых галактик очень напоминали такие у развитых галактик, появившихся миллиарды лет спустя, что является доказательством того, что даже на заре Вселенной галактики уже образовывали и распространяли тяжёлые элементы в окружающее пространство.

«Представьте себе эти элементы, происходящие от звёзд галактик, как пищевой краситель, брошенный в стакан с водой», — говорит Чжу. «Цвет начинает распространяться в воде, и, подобно этому, эти тяжёлые элементы из ранних галактик начали выходить в космос и «обогащать» своё окружение».

Барионный цикл

Процесс, с помощью которого галактики обмениваются веществом, известен как барионный цикл. Это одна из причин, по которой галактики не являются изолированными системами, а представляют собой взаимосвязанные части более обширной галактической экосистемы. Вещество, образованное одним поколением звёзд, может быть переработано и перераспределено в рамках этой галактической экосистемы.

Открытие раннего барионного цикла также может помочь объяснить, почему астрономам так трудно найти звёзды первого поколения, известные как звёзды Популяции III. Считается, что эти звезды были самыми первыми, образовавшимися из первичного газа, содержавшего только водород и гелий, до того, как образовались более тяжёлые элементы и распространились по всей Вселенной. Если галактики уже обогащали свое окружение всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва, то действительно первичный газ — и звезды Популяции III, образовавшиеся из него, — просто могли не просуществовать достаточно долго, чтобы их можно было наблюдать.

«Если вы начнете с чистого ванильного мороженого, но вскоре начнете добавлять в него сахарную посыпку, то вскоре вы уже не сможете найти никакого первоначального, простого ванильного мороженого», — сказал Чжу.