"Джеймс Уэбб" смотрит в прошлое: найдена галактика почти без тяжелых элементов

Группа астрономов с помощью телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) обнаружила галактику под названием AMORE6, практически лишенную тяжелых химических элементов.

Отмечается, что ее существование убедительно доказывает ключевые предсказания относительно теории Большого взрыва. Считается, что Большой взрыв был началом нашей Вселенной, которая с того момента и до сегодня стремительно расширялась.

В результате процесса, получившего название нуклеосинтеза Большого взрыва, образовались первые легкие элементы: водород, гелий, и следовые количества лития. Более тяжелые элементы, которые астрофизики называют металлами, образовались гораздо позже в недрах звезд, существовавших в первую эпоху после Большого взрыва.

Первое поколение звезд, известное как звездное население III, первыми образовало тяжелые элементы за счет нуклеосинтеза в недрах. Эти звезды вообще не содержали тяжелых элементов, или содержали в крайне малом количестве. Поскольку звезды рождаются в галактиках, а не изолированно, должны были существовать и галактики населения III — звезды, которые вообще не содержали металлов.

Наличие галактик со звездами населения III оставалось одним из вопросов, который очень интересовал астрофизиков. Теория предполагает, что некоторые ранние галактики, наблюдаемые при больших красных смещениях, должны иметь нулевую металличность. Подтверждение их существования имело бы решающее влияние на нашу современную космологическую модель.

С помощью JWST астрономы уже обнаружили массивные, хорошо развитые галактики, которые появились значительно раньше, чем предполагали результаты предыдущих моделирований. До сих пор ученые считали, что такие большие и развитые галактики не должны были появиться так быстро после Большого взрыва. Это заставило астрономов пересмотреть представление о том, как быстро развивались и эволюционировали галактики.

Однако даже JWST, несмотря на передовые возможности, не смог однозначно идентифицировать галактику с нулевой металличностью. Хотя астрономы с помощью «Джеймса Уэбба» наблюдали за галактиками, образовавшимися через несколько сотен млн лет после Большого взрыва, ни в одной из них не было зафиксировано полного отсутствия тяжелых элементов.

Ключевую роль в поиске таких галактик играет кислород. Согласно космологическим моделям, первые галактики должны были состоять только из водорода и гелия, и не содержать кислорода и других тяжелых элементов. Астрономы используют эмиссионную линию дважды ионизированного кислорода, который в спектроскопии обозначается, как O III. Эта линия демонстрирует продолжающийся процесс образования звезд, и особенно эффективна при исследованиях очень далеких систем со значительным красным смещением.

На графике показана металличность и звездная масса галактики AMORE6, и подобных ей, примерно того же возраста/Nature

В более простых галактиках сильное излучение O III может указывать на крайне низкое наличие тяжелых элементов. В то же время, более слабые сигналы O III указывают на то, что галактики формировались в условиях, которые отличаются от современных. До недавнего времени убедительных примеров этого не было. Новое исследование, возглавляемое научным сотрудником Центра обработки и анализа инфракрасных данных (IPAC) Калифорнийского технологического института Такахиро Моришитой, свидетельствует о возможном обнаружении одной из ранних галактик, практически не содержащей тяжелых элементов.

«Существование галактик, не содержащих таких элементов, как кислород, образованных звездами после нуклеосинтеза в эпоху Большого взрыва, является ключевым предсказанием космологической модели. Однако до сих пор не обнаружено ни одной чистой галактики населения ІІІ с «нулевой металличностью»», — отмечают авторы исследования.

Между тем Моришита и его коллеги, вероятно, нашли такую галактику. Она была обнаружена с красным смещением z, равным 5,725. Это означает, что свет от нее был испущен, когда Вселенной было всего около 900 млн или 1 млрд лет. Галактику обнаружили благодаря гравитационному линзированию. «Джеймс Уэбб» обнаружил эмиссию Hβ — которая описывает спектральные линии излучения атомарного водорода. Однако при этом не было обнаружено кислорода.

«Отсутствие O III сразу же указывает на то, что AMORE6 содержит очень низкую металличность, почти первозданную, межзвездную среду», — объясняют авторы исследования.

У галактики также оказалась малая звездная масса и чрезвычайно компактная морфология. Дело в том, что эта галактика не такая старая, как некоторые, полностью сформированные галактики, обнаруженные JWST до этого. Несколько озадачивает тот факт, что этот яркий пример первозданной среды звездообразования с низкой металличностью был обнаружен почти через млрд лет после Большого взрыва.