Свет от 23 далеких галактик, обозначенных красными прямоугольниками на изображении космического телескопа Хаббла вверху, был объединен для улавливания невероятно слабого излучения восьми различных элементов, которые отмечены в спектре JWST внизу. Хотя ученые регулярно находят эти элементы на Земли, астрономы редко, если вообще когда-либо, наблюдают многие из них в далеких галактиках. Фото: Аарон М. Геллер, Northwestern, CIERA + IT-RCDS
Подобно человеческим подросткам, галактики-подростки неуклюжи, испытывают резкие скачки роста и любят тяжелый металл — то есть никель.
Команда астрофизиков под руководством Северо-Западного университета проанализировала первые результаты исследования CECILIA (Chemical Evolution Constrained using Ionized Lines in Interstellar Aurorae) — программы, которая использует космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба (JWST) для изучения химии далеких галактик.
Согласно предварительным результатам, так называемые «юные галактики», образовавшиеся через два-три миллиарда лет после Большого взрыва, необычайно горячие и содержат неожиданные элементы, такие как никель, которые, как известно, трудно наблюдать.
Исследование «CECILIA: Слабый спектр линий излучения галактик со звездообразованием z~2-3» было опубликовано 20 ноября в The Astrophysical Journal Letters. Это первое исследование в серии предстоящих исследований CECILIA Survey.
«Мы пытаемся понять, как галактики росли и менялись на протяжении 14 миллиардов лет космической истории», — сказала Эллисон Стром из Northwestern, возглавлявшая исследование. «Используя JWST, наша программа нацелена на подростковые галактики, когда они переживали трудные времена всплесков роста и перемен. Подростки часто имеют опыт, который определяет их траекторию взрослой жизни. С галактиками то же самое».
Один из главных исследователей обзора CECILIA, Стром является доцентом кафедры физики и астрономии Вайнбергского колледжа искусств и наук Северо-Западного университета и членом Центра междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики Северо-Западного университета (CIERA). Стром возглавляет исследование CECILIA вместе с Гвен Руди, научным сотрудником обсерваторий Карнеги.
«Химическая ДНК» дает представление о формировании галактик
Назван в честь Сесилии Пейн-Гапошкин, одной из первых женщин, получивших докторскую степень. В астрономии обзор CECILIA наблюдает спектры (или количество света на разных длинах волн) от далеких галактик. Стром сравнивает спектры галактики с ее «химической ДНК». Изучая эту ДНК в «подростковые» годы галактики, исследователи смогут лучше понять, как она росла и как она будет развиваться в более зрелую галактику.
Например, астрофизики до сих пор не понимают, почему некоторые галактики кажутся «красными и мертвыми», в то время как другие, такие как наш Млечный Путь, все еще формируют звезды. Спектр галактики может выявить ее ключевые элементы, такие как кислород и сера, которые открывают окно в то, что галактика делала раньше и что она может делать в будущем.
«Эти подростковые годы действительно важны, потому что именно в это время происходит наибольший рост», — сказал Стром. «Изучая это, мы можем начать изучать физику, благодаря которой Млечный Путь стал похож на Млечный Путь, и почему он может отличаться от соседних галактик».
В новом исследовании Стром и ее коллеги использовали JWST для наблюдения за 33 далекими галактиками-подростками в течение 30 часов подряд прошлым летом. Затем они объединили спектры 23 из этих галактик, чтобы построить составную картину.
«Это размывает детали отдельных галактик, но дает нам лучшее представление о средней галактике. Это также позволяет нам видеть более слабые детали», — сказал Стром. «Он значительно глубже и детальнее, чем любой спектр галактик, который мы могли бы получить с помощью наземных телескопов за этот период истории Вселенной».
Спектры удивляют
Сверхглубокий спектр выявил восемь различных элементов: водород, гелий, азот, кислород, кремний, сера, аргон и никель. Все элементы тяжелее водорода и гелия образуются внутри звезд. Итак, присутствие определенных элементов дает информацию о звездообразовании на протяжении всей эволюции галактики.
Хотя Стром ожидала увидеть более легкие элементы, ее особенно удивило присутствие никеля. Никель тяжелее железа, он встречается редко, и его невероятно сложно наблюдать.
«Никогда в своих самых смелых мечтах я не мог себе представить, что мы увидим никель», — сказал Стром. «Даже в соседних галактиках люди этого не наблюдают. В галактике должно быть достаточное количество элемента и подходящие условия для его наблюдения. Никто никогда не говорит о наблюдении никеля. Элементы должны светиться в газе, чтобы Чтобы мы могли их увидеть. Итак, чтобы мы могли увидеть никель, в звездах внутри галактик может быть что-то уникальное».
Еще один сюрприз: галактики-подростки были чрезвычайно горячими. Изучая спектры, физики могут рассчитать температуру галактики. В то время как самые горячие карманы с галактиками могут достигать температуры более 9700° по Цельсию (17 492° по Фаренгейту), в галактиках-подростках температура превышает 13 350° по Цельсию (24 062° по Фаренгейту).
«Это всего лишь дополнительное свидетельство того, насколько разными были галактики, когда они были моложе», — сказал Стром. «В конечном счете, тот факт, что мы видим более высокую характеристическую температуру, является всего лишь еще одним проявлением их различной химической ДНК, поскольку температура и химия газа в галактиках неразрывно связаны».
Данные исследования были получены из Архива космических телескопов Микульского в Научном институте космических телескопов и из обсерватории В.М. Кека.
Информация от: Северо-Западным университетом
