Ранній Всесвіт: найдальша галактика “JADES-GS-z14-0″ кидає виклик моделям утворення галактик  

Спектральний аналіз яскравої галактики JADES-GS-z14-0 на основі спостережень, зроблених у січні 2024 року, виявив червоне зміщення 14.32, що робить її найвіддаленішою галактикою з відомих (попередньою найвіддаленішою відомою галактикою була JADES-GS-z13-0 на червоному зміщенні з z = 13.2). Він утворився в ранньому Всесвіті приблизно через 290 мільйонів років після Великого вибуху. Велика кількість зоряного світла вказує на те, що він масивний і має розмір понад 1,600 світлових років. Така яскрава, масивна і велика галактика в ранньому Всесвіті на світанку космосу суперечить поточному розумінню формування галактик. Першими зірками у Всесвіті були Pop III зірки з нульовим або надзвичайно низьким вмістом металу. Проте дослідження інфрачервоних властивостей галактики JADES-GS-z14-0 виявило наявність кисню, що означає збагачення металом, що означає, що покоління масивних зірок уже завершили свій життєвий цикл від народження до вибуху наднової приблизно за 290 мільйонів років у ранньому Всесвіті. Таким чином, властивості цієї галактики суперечать поточному уявленню про формування галактик у ранньому Всесвіті.   

Дуже ранній Всесвіт, приблизно через 380 000 років після Великого вибуху, був заповнений іонізованими газами та був повністю непрозорим через розсіювання фотонів вільними електронами. Після цього настала нейтральна епоха раннього Всесвіту, яка тривала близько 400 мільйонів років. У цю епоху Всесвіт був нейтральним і прозорим. Перше світло виникло, коли Всесвіт став прозорим, змістилося в червоний колір у мікрохвильовий діапазон через розширення і зараз спостерігається як космічний мікрохвильовий фон (CMB). Оскільки Всесвіт був заповнений нейтральними газами, оптичний сигнал не випромінювався (звідси його називають темною добою). Неіонізовані матеріали не випромінюють світло, тому вивчення раннього Всесвіту нейтральної епохи ускладнює дослідження. Однак мікрохвильове випромінювання з довжиною хвилі 21 см (що відповідає 1420 МГц), що випромінюється холодним нейтральним космічним воднем протягом цієї епохи через надтонкий перехід від паралельного спіну до більш стабільного антипаралельного спіну, пропонує астрономам можливості. Це мікрохвильове випромінювання з довжиною хвилі 21 см буде зміщено в червоний колір після досягнення Землі та спостерігатиметься на частотах від 200 МГц до 10 МГц як радіохвилі. Експеримент REACH (Радіоексперимент для аналізу космічного водню) має на меті виявити невловиму 21-сантиметрову лінію космічного водню.

Епоха реіонізації була наступною епохою в історії раннього Всесвіту, яка тривала приблизно від 400 мільйонів років після Великого вибуху до 1 мільярда років. Гази реіонізувалися через високоенергетичне ультрафіолетове випромінювання, що випромінювалося потужними ранніми зірками. У цю епоху почалося формування галактик і квазарів. Світла цієї епохи зміщені в червоний діапазон у бік червоного та інфрачервоного. Дослідження глибокого поля Хабла стали новим початком у вивченні раннього Всесвіту, проте їхні можливості у фіксації первісних світил були обмежені. Була потрібна інфрачервона обсерваторія, розташована в космосі. JWST спеціалізується виключно на інфрачервоній астрономії для вивчення раннього Всесвіту.

Космічний телескоп імені Джеймса Вебба (JWST ) було запущено 25 грудня 2021 року. Згодом його було виведено на орбіту поблизу точки Лагранжа L2 між Сонцем і Землею, приблизно за 1.5 мільйона км від Землі. Він почав повністю функціонувати в липні 2022 року. Використовуючи ключові наукові прилади на борту, такі як NIRCam (камера ближнього інфрачервоного діапазону), NIRSpec (спектрограф ближнього інфрачервоного діапазону), MIRI (прилад середнього інфрачервоного діапазону), JWST шукає оптичні/інфрачервоні сигнали від ранніх зірок і галактик, що утворилися у Всесвіті, для кращого розуміння формування та еволюції галактик, а також формування зірок і планетних систем. За останні два роки він дав захопливі результати в дослідженні космічного світанку (тобто періоду в перші кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху, коли народилися перші галактики).

Програма JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). 

Ця програма спрямована на вивчення еволюції галактик від високого червоного зсуву до космічного полудня за допомогою інфрачервоного зображення та спектроскопії в глибоких полях GOODS-S і GOODS-N.  

У перший рік дослідники JADES натрапили на сотні галактик-кандидатів з перших 650 мільйонів років після Великого вибуху. На початку 2023 року вони знайшли у своєму наборі даних галактику, червоне зміщення якої дорівнює 14, що означає, що це надзвичайно віддалена галактика, але вона була дуже яскравою. Крім того, вона виявилася частиною іншої галактики через близькість. Таким чином, вони спостерігали цей приріст у жовтні 2023 року. Нові дані підтвердили, що червоне зміщення дорівнює 14. Спектр цієї галактики був потрібен для визначення місця розриву Лаймана-альфа в спектрі, щоб виміряти червоний зсув і визначити вік. 

Лайман-альфа — це спектральна лінія випромінювання водню в серії Лаймана, коли електрони переходять від n=2 до n=1. Точка розриву Лайман-альфа в спектрі відповідає спостережуваній довжині хвилі (λ _{спостережуваного} ). Червоний зсув (z) можна розрахувати за формулою z = (λ _{спостережуваного} – λ _{спостережуваного} ) / λ _{спостережуваного}

Галактика JADES-GS-z14-0    

Відповідно, галактику знову спостерігали в січні 2024 року за допомогою NIRCam (камера ближнього інфрачервоного діапазону) і NIRSpec (спектрограф ближнього інфрачервоного діапазону). Спектральний аналіз дав чіткі докази того, що галактика була на червоному зміщенні 14.32, що зробило її найвіддаленішою галактикою з відомих (попередній рекорд найвіддаленішої галактики (JADES-GS-z13-0 на червоному зміщенні z = 13.2). Її назвали JADES -GS-z14-0, яскрава галактика на відстані 13.5 мільярдів світлових років. Крім того, її розміри становили понад 1,600 світлових років, що свідчить про те, що джерелом її світності є молоді зірки Не очікується, що галактика, яка існує менше ніж через 300 мільйонів років після Великого вибуху, матиме такі властивості.  

Було ще більше сюрпризів.  

Дослідники змогли виявити JADES-GS-z14-0 на більшій довжині хвилі за допомогою MIRI (Infrared Instrument). Це означало захоплення випромінювань у видимому діапазоні світла від цієї галактики, які були зміщені в червоний колір і вийшли за межі діапазону для приладів ближнього інфрачервоного діапазону. Аналіз виявив наявність іонізованого кисню, що свідчить про високу металічність зірок. Це можливо лише тоді, коли багато поколінь зірок прожили свій життєвий шлях.  

Перші зірки у Всесвіті мають нульовий або надзвичайно низький вміст металу. Їх називають зірками Pop III або Population III. Зірки низького рівня металу — це зірки Pop II. Молоді зірки мають високий вміст металів і називаються «зірками Pop I» або сонячними металевими зірками. З відносно високою металічністю (1.4%) Сонце є новою зіркою. В астрономії будь-який елемент, важчий за гелій, вважається металом. Хімічні неметали, такі як кисень, азот тощо, є металами в космологічному контексті. Зірки збагачуються металом у кожному поколінні після наднової. Збільшення вмісту металу в зірках свідчить про молодший вік.   

Враховуючи, що вік галактики JADES-GS-z14-0 становить менше 300 мільйонів років після Великого вибуху, зірки в цій галактиці повинні бути зірками Pop III з нульовим вмістом металу. Однак MIRI JWST виявив наявність кисню.  

З огляду на наведені вище спостереження та висновки, властивості галактики раннього Всесвіту JADES-GS-z14-0 не відповідають поточному розумінню формування галактик. Як галактику з такими особливостями можна датувати 290 мільйонами років після Bing Bang? Цілком можливо, що в майбутньому буде відкрито багато таких галактик. Можливо, різноманітність галактик існувало на Космічній Зорі. 

*** 

Список використаної літератури:  

1. Карніані, С., та ін. 2024. Спектроскопічне підтвердження двох сяючих галактик із червоним зміщенням 14. Nature (2024). Опубліковано 24 липня 2024 р. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Препринт на axRiv. Надіслано 28 травня 2024 р. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485  

2. Хелтон Дж.М., та ін 2024. Фотометричне виявлення JWST/MIRI на 7.7 мкм зоряного континууму та небулярне випромінювання в галактиці на z>14. Препринт на axRiv. Надіслано 28 травня 2024 р. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462 

3. Космічний телескоп NASA Джеймса Вебба. Перші моменти – космічний телескоп NASA Джеймса Вебба знайшов найвіддаленішу галактику. Опубліковано 30 травня 2024 р. Доступно за адресою https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy 

***