Одним из самых захватывающих достижений современной астрономии является то, что астрономы теперь могут наблюдать и изучать самые ранние галактики во Вселенной. Это связано с такими обсерваториями нового поколения, как эта. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) с ее сложной линейкой инфракрасных инструментов и спектрометров, а также достижениями в области интерферометрии — метода, который объединяет несколько источников света для получения более четкого изображения астрономических объектов. Благодаря этим наблюдениям астрономы смогут узнать больше о том, как самые ранние галактики во Вселенной превратились в то, что мы видим сегодня.
Используя Уэбб и Большую миллиметровую/субмиллиметровую решетку Атакамы (ALMA), международная группа под руководством исследователей Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ) успешно обнаружила атомные переходы в галактике GHZ2 (также известной как GLASS-z12, 13,4 миллиарда точек). света, расположенного на расстоянии многих лет. Их исследование не только установило новый рекорд самого дальнего открытия этих элементов. Впервые подобные выбросы были обнаружены в галактиках, находящихся на расстоянии более 13 миллиардов световых лет, и это дает первое прямое представление о свойствах самых ранних галактик во Вселенной.
Впервые галактика была обнаружена в июле 2022 года в рамках программы наблюдений Grism Lens-Amplified Survey from Space (GLASS) с использованием камеры ближнего инфракрасного диапазона JWST (NIRCam). Месяц спустя последующие наблюдения с ALMA подтвердили, что спектрографическое красное смещение галактики превышает например = 12, что делает ее одной из самых ранних и самых далеких галактик, когда-либо наблюдавшихся. Превосходные наблюдения обеих обсерваторий позволили астрономам получить новое представление о природе самых ранних галактик во Вселенной.
Хорхе Завала, астроном Восточноазиатского регионального центра ALMA в NAOJ, был ведущим автором этого исследования. Как он объяснил в пресс-релизе ALMA-NAOJ:
«Мы выровняли более сорока 12-метровых антенн Большой миллиметровой/субмиллиметровой антенной решетки Атакамы (ALMA) и 6,5-метровых антенн. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) в течение нескольких часов в месте на небе, которое невооруженному человеческому глазу казалось бы совершенно пустым, с целью уловить сигнал от одного из самых далеких астрономических объектов, известных на сегодняшний день. И [we] успешно продемонстрировал излучение возбужденных атомов различных элементов, таких как водород и кислород, в беспрецедентную эпоху».
Подтверждение и характеристика физических свойств далеких галактик имеет решающее значение для проверки наших текущих теорий формирования и эволюции галактик. Однако для понимания их внутренней физики требуются детальные и чувствительные астрономические наблюдения и спектроскопия (поглощение и излучение света материей), которая позволяет ученым обнаруживать определенные химические элементы и соединения. Конечно, эти наблюдения были непростыми для самых ранних галактик, поскольку они являются самыми далекими астрономическими объектами, когда-либо изучавшимися.
Тем не менее, наблюдения ALMA обнаружили эмиссионную линию, связанную с дважды ионизированным кислородом (O III), подтвердив, что галактика существовала примерно через 367 миллионов лет после Большого взрыва. В сочетании с данными, полученными с помощью спектрографа ближнего инфракрасного диапазона Уэбба (NIRSpec) и инструментов среднего инфракрасного диапазона (MIRI), команда смогла эффективно охарактеризовать этот объект. Основываясь на своих наблюдениях, команда обнаружила, что GHZ2 испытал экстремальные всплески звездообразования 13,4 миллиарда лет назад, в условиях, значительно отличающихся от тех, которые наблюдались астрономами в звездообразующих галактиках в последние десятилетия.
Например, относительное содержание тяжелых элементов в этой галактике (металличность) значительно ниже, чем у большинства изученных галактик. Это было ожидаемо, учитывая отсутствие более тяжелых элементов в ранней Вселенной, когда существовали звезды Населения III, состоящие преимущественно из водорода и гелия. Эти звезды были массивными, горячими и недолговечными: они существовали всего несколько миллионов лет, прежде чем стать сверхновой. Точно так же команда объяснила высокую светимость GHZ2 ее звездами населения III, которые отсутствуют в более развитых галактиках.
Эта светимость усиливается тем фактом, что GHZ2, масса которой в несколько сотен миллионов раз превышает массу Солнца, занимает область около 100 парсеков (~ 325 световых лет). Это указывает на то, что галактика имеет высокую плотность звезд, аналогичную плотности шаровых скоплений, наблюдаемых в Млечном Пути и соседних галактиках. Другие сходства включают низкую металличность, аномальное содержание определенных химических веществ, высокую скорость звездообразования, высокую поверхностную плотность звездной массы и многое другое. Таким образом, изучение галактик, подобных GHZ2, могло бы помочь астрономам объяснить происхождение шаровых скоплений, которое до сих пор остается загадкой.
По мнению Тома Баккса, исследователя из Университета Чалмерса, эти наблюдения могут проложить путь к будущим исследованиям древних галактик, которые позволят выявить самые ранние стадии формирования галактик:
«Это исследование является кульминацией многолетних усилий по пониманию галактик в ранней Вселенной. Анализ множества эмиссионных линий позволил провести несколько важных тестов свойств галактик и продемонстрировал выдающиеся возможности ALMA благодаря захватывающему и мощному сотрудничеству с другими телескопами, такими как JWST».
Дополнительная литература: АЛМА, AJL
