JWST виявив, що ранні галактики вже наповнювали Всесвіт важкими елементами

Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) виявив, що вже через 500 мільйонів років після Великого вибуху галактики переносили у міжгалактичний простір елементи, важчі за водень і гелій.

Про це розповідають в Університеті Аризони, передають OstanniPodii.com.

Коли Всесвіт ще перебував у зародковому стані — лише через 500 мільйонів років після Великого вибуху, або приблизно 3 % від його нинішнього віку — деякі з найперших зірок і галактик Всесвіту вже сформувалися. Астрономи вже давно передбачали, що значна частина газу, який оточував ці молоді галактики, мала залишатися досить «незайманою», складаючись переважно з водню та гелію — первинних елементів, доступних у новонародженому космосі.

Згідно з новим дослідженням, опублікованим в журналі «Nature Astronomy», ця картина ймовірно є неправильною. Натомість вже набагато раніше, ніж очікували астрономи, галактики насичували космос важкими елементами, такими як кисень і вуглець.

«Ми спостерігали, що важкі елементи виходили з галактик дуже-дуже рано в космічному часі», — каже Йонгда Чжу, перший автор роботи, постдокторант кафедри астрономії Університету Аризони та обсерваторії Стюарда. «Галактики не тільки виробляли ці елементи, але й розповсюджували їх, можливо, заселяючи ними інші галактики».

Як у Всесвіті з’явилися елементи

У ранньому Всесвіті космос майже не містив нічого, крім водню та гелію — двох найпростіших елементів, що займають найвищі позиції в періодичній таблиці. Згодом гравітація згуртувала хмари цих простих елементів, утворивши зорі, де величезний тиск і температура всередині дозволили ядерному синтезу та іншим реакціям утворити складніші, важчі елементи, такі як вуглець і кисень.

Коли зорі вигорали або завершували своє життя у вигляді наднових, вони викидали ці важкі елементи у космос, де вони стали будівельним матеріалом для майбутніх поколінь зірок, планет і, зрештою, життя. Навіть вуглець у наших тілах і кисень, яким ми дихаємо, були утворені в попередніх поколіннях зірок.

Однак дотепер не було зрозуміло, як і коли важчі елементи переносилися з найперших галактик у навколишній Всесвіт.

Вдивляючись в ранні галактики

Дослідження зосередилося на трьох ранніх галактиках, світло від яких подорожувало понад 13 мільярдів років, показуючи їх такими, якими вони були приблизно через 500 мільйонів років після Великого вибуху, під час космічного періоду, відомого як Епоха реіонізації. У той час перші покоління зірок і галактик трансформували ранній Всесвіт, іонізуючи водень між собою. Цей процес, під час якого електрони відривалися від ядер водню, поступово поклав кінець космічним «темним вікам», дозволивши ультрафіолетовому світлу вільніше поширюватися крізь Всесвіт.

«Ми використовували самі галактики як джерела фонового світла», — каже Чжу. «Поки світло від галактик рухалося до Землі, воно проходило крізь навколишній газ, і ми змогли проаналізувати характеристики поглинання світла, щоб виявити конкретні елементи».

Спостереження за цими древніми галактиками стали можливими лише завдяки інфрачервоним можливостям JWST, що дозволило дослідникам побачити галактики такими, якими вони були приблизно 13 мільярдів років тому. Майже 30 годин експозиції забезпечили достатню кількість світла для виявлення слабких ліній поглинання у спектрах цих віддалених галактик.

Протягом однієї довгої ночі Чжу вручну переглянув загальнодоступні спектри JWST від сотень галактик і визначив три, у яких патерни поглинання вказували на наявність важких елементів, зокрема вуглецю, кисню та кремнію. Лінії поглинання мали «синій зсув» відносно червоного зсуву галактик, що свідчило про те, що газ рухався назовні від галактик і переносив кисень, вуглець та інші важкі елементи у міжгалактичний простір.

Хімічні «відбитки» цих молодих галактик дуже нагадували такі у розвинених галактик, що з’явилися мільярди років пізніше, що є доказом того, що навіть на світанку Всесвіту галактики вже утворювали та поширювали важкі елементи у навколишній простір.

«Уявіть собі ці елементи, що походять від зірок галактик, як харчовий барвник, вкинутий у склянку з водою», — каже Чжу. «Колір починає поширюватися у воді, і, подібно до цього, ці важкі елементи з ранніх галактик почали виходити у космос і «збагачувати» своє оточення».

Баріонний цикл

Процес, за допомогою якого галактики обмінюються речовиною, відомий як баріонний цикл. Це одна з причин, чому галактики не є ізольованими системами, а взаємопов’язаними частинами більшої галактичної екосистеми. Речовина, утворена одним поколінням зірок, може бути перероблена та перерозподілена через цю галактичну екосистему.

Відкриття раннього баріонного циклу також може допомогти пояснити, чому астрономам так важко знайти зорі першого покоління, відомі як зорі Популяції III. Вважається, що ці зорі були найпершими, які утворилися з первинного газу, що містив лише водень і гелій, до того, як утворилися важчі елементи та розповсюдилися по всьому Всесвіту. Якщо галактики вже збагачували своє оточення лише через 500 мільйонів років після Великого вибуху, то справді первинний газ — і зорі Популяції III, що утворилися з нього, — просто могли не проіснувати достатньо довго, щоб їх можна було спостерігати.

«Якщо ви почнете з чистого ванільного морозива, але незабаром почнете додавати до нього цукрову посипку, то незабаром ви вже не зможете знайти ніякого первинного, простого ванільного морозива», — сказав Чжу.