Телескоп Вебба доводить, що галактики трансформували ранній Всесвіт

У ранньому Всесвіті газ між зорями й галактиками був непрозорим — енергійне світло зірок не могло проникати крізь нього. Але через 1 мільярд років після великого вибуху газ став абсолютно прозорим. Чому?

Як розповідають у Центрі космічних польотів НАСА ім. Годдарда, нові дані від космічного телескопа "Джеймс Вебб" дали змогу встановити причину: зорі галактик випромінювали достатньо світла, щоб нагріти та іонізувати газ навколо них, очистивши нам увесь вид за сотні мільйонів років.

Результати, отримані дослідницькою групою під керівництвом Саймона Ліллі зі Швейцарської вищої технічної школи Цюриха (ETH Zürich), є найновішими відомостями про період часу, відомий як Ера реіонізації, коли Всесвіт зазнав драматичних змін.

Ці результати було опубліковано у трьох статтях в журналі The Astrophysical Journal 12 червня.

Після Великого вибуху газ у Всесвіті був неймовірно гарячим і щільним. Протягом сотень мільйонів років газ остигав. Потім у Всесвіті стався "повтор". Газ знову став гарячим та іонізованим — ймовірно, через утворення ранніх зірок у галактиках — і за мільйони років став прозорим.

Дослідники давно шукали остаточні докази для пояснення цих трансформацій. Нові результати фактично відкривають завісу наприкінці періоду реіонізації.

"Вебб не тільки чітко показує, що ці прозорі області знаходяться навколо галактик, ми також виміряли їхні розміри", - пояснює Даїчі Кашино з Університету Нагоя в Японії, провідний автор першої статті групи. "Завдяки даним Вебба ми бачимо, як галактики реіонізують газ навколо себе".

Ці регіони прозорого газу гігантські порівняно з галактиками — уявіть собі повітряну кулю, всередині якої підвішена горошина. Дані Вебба показують, що ці відносно крихітні галактики призвели до реіонізації, очистивши масивні області простору навколо себе. Протягом наступних ста мільйонів років ці прозорі "бульбашки" продовжували рости дедалі більше, врешті-решт, зливаючись і викликаючи прозорість усього Всесвіту.

Понад 13 мільярдів років тому, в епоху реіонізації, Всесвіт був зовсім іншим. Газ між галактиками був в основному непрозорим для енергійного світла, що ускладнювало спостереження молодих галактик. Що дозволило Всесвіту стати повністю іонізованим і призвело до "прозорих" умов, виявлених у більшій частині Всесвіту сьогодні? Дослідники за допомогою космічного телескопа "Джеймс Вебб" виявили, що в основному за це відповідальні галактики. Credits: NASA, ESA, CSA, Joyce Kang (STScI)

Команда Ліллі навмисно обрала час незадовго до закінчення Ери реіонізації, коли Всесвіт був не зовсім прозорим і не зовсім непрозорим - він містив у собі сплетіння газу в різних станах. Учені спрямували телескоп "Вебба" у бік квазара - надзвичайно світної активної надмасивної чорної діри, яка при поїданні матерії дуже сильно світиться та діє як величезний ліхтарик, висвічуючи газ між квазаром і нашими телескопами. (Знайдіть його в центрі зображення нижче: він крихітний та рожевий із шістьма помітними дифракційними шипами).

Аналізуючи нові спостереження космічного телескопа "Джеймс Вебб", дослідники знайшли докази того, що галактики, які існували за 900 мільйонів років після Великого вибуху, іонізували газ навколо себе, внаслідок чого він став прозорим. Вони також використовували "Вебб" для точного вимірювання газу навколо галактик, визначивши, що "бульбашки" іонізованого газу мають радіус 2 мільйони світлових років навколо крихітних галактик. Протягом наступних ста мільйонів років "бульбашки" ставали дедалі більшими та більшими, зрештою, злилися й змусили весь Всесвіт стати прозорим. 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

Коли світло квазара йшло до нас через різні ділянки газу, воно або поглиналося непрозорим газом, або вільно проходило через прозорий газ. Новітні результати стали можливими тільки завдяки об'єднанню даних "Вебба" зі спостереженнями центрального квазара від Обсерваторії В.М. Кека на Гаваях, Дуже великого телескопа Європейської південної обсерваторії та Магелланового телескопа в Обсерваторії Лас-Кампанас у Чилі.

"Освітлюючи газ уздовж нашої лінії візування, квазар дає нам велику інформацію про склад і стан газу", - пояснила Анна-Крістіна Ейлерс з Массачусетського технологічного інституту в Кембриджі, провідний автор іншої статті команди.

Потім дослідники використовували "Вебб" для ідентифікації галактик поблизу цієї лінії візування та показали, що галактики, як правило, оточені прозорими областями радіусом близько 2 мільйонів світлових років. Іншими словами, "Вебб" спостерігав галактики у процесі очищення простору навколо них наприкінці Ери реіонізації. Щоб уявити це в перспективі, площа, яку очистили ці галактики, приблизно дорівнює відстані між нашою галактикою Чумацький Шлях і найближчою сусідкою Андромедою.

Досі у дослідників не було такого точного доказу того, що спричинило реіонізацію - до "Вебба" вони не були впевнені, що саме стало причиною.

Який вигляд мають ці галактики? "Вони більш хаотичні, ніж ті, що знаходяться у прилеглому Всесвіті", - пояснює Джорріт Матті, також з ETH Zürich і провідний автор другої статті команди. "Вебб показує, що вони активно формували зорі та, мабуть, вивергали безліч наднових. У них була вельми авантюрна молодість!"

Принагідно Ейлерс використала дані "Вебба", щоб підтвердити, що чорна діра у квазарі в центрі цього поля є наймасивнішою з відомих на даний час у ранньому Всесвіті, її маса у 10 мільярдів разів перевищує масу Сонця.

"Ми досі не можемо пояснити, як квазари змогли вирости настільки великими на такому ранньому етапі історії Всесвіту", - поділилася вона. "Це ще одна загадка, яку належить вирішити!"

Відмінні знімки від "Вебба" також не виявили жодних ознак того, що світло від квазара зазнало гравітаційного лінзування, що гарантує точне вимірювання маси.

Найближчим часом команда має зануритися у дослідження галактик у п'яти додаткових полях, кожне з яких спирається на центральний квазар. Результати, отримані "Веббом" у першому полі, були настільки очевидні, що дослідникам не терпілося поділитися ними.

"Ми очікували виявити кілька десятків галактик, що існували в епоху реіонізації, але з легкістю змогли виділити 117", - пояснив Кашино. "Вебб перевершив наші очікування".

Дослідницька група Ліллі "Галактики з емісійними лініями та міжгалактичний газ в епоху реіонізації" (EIGER) продемонструвала унікальну можливість об'єднання звичайних зображень, отриманих за допомогою NIRCam (Камери ближнього інфрачервоного діапазону) "Вебба", з даними широкопольної безщілинної спектроскопії того самого приладу, який дає спектр кожного об'єкта на знімках, перетворюючи "Вебб" на те, що команда називає "видовищною спектроскопічною машиною червоних зсувів".

Публікації команди:

• "EIGER I. Велика вибірка [O iii]-випромінювальних галактик при 5.3 < z < 6.9 і прямі докази локальної реіонізації галактик" , під керівництвом Кашино,
• "EIGER II. Перша спектроскопічна характеризація молодих зірок та іонізованого газу, пов'язаних із сильним випромінюванням ліній Hβ і [OIII] в галактиках при z = 5-7 за допомогою JWST" , під керівництвом Матті,
• "EIGER III. Спостереження JWST/NIRCam надсвітного квазара J0100+2802" під керівництвом Ейлерса.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.