Самое раннее обнаружение металлов бросает вызов тому, что мы знаем о первых галактиках

Автор: arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2311.09908

Астрономы обнаружили углерод в галактике всего через 350 миллионов лет после Большого взрыва, самого раннего обнаружения любого элемента во Вселенной, кроме водорода.

С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) международная группа астрономов под руководством Кембриджского университета наблюдала очень молодую галактику в ранней Вселенной и обнаружила, что она содержит удивительное количество углерода, одного из зародышей жизни, какой мы ее знаем..

В астрономии элементы тяжелее водорода и гелия относят к металлам. Самая ранняя Вселенная почти полностью состояла из водорода, простейшего из элементов, с небольшим количеством гелия и крошечного количества лития.

Любой другой элемент, из которого состоит Вселенная, которую мы наблюдаем сегодня, сформировался внутри звезды. Когда звезды взрываются как сверхновые, элементы, которые они производят, циркулируют по всей родительской галактике, создавая новое поколение звезд. С каждым новым поколением звезд и «звездной пыли» образуется больше металлов, и через миллиарды лет Вселенная развивается до такой степени, что может поддерживать каменистые планеты, такие как Земля, и жизнь, подобную нам.

Возможность проследить происхождение и эволюцию металлов поможет нам понять, как мы прошли путь от Вселенной, почти полностью состоящей всего из двух химических элементов, к невероятной сложности, которую мы видим сегодня.

«Самые первые звезды — это Святой Грааль химической эволюции», — сказал ведущий автор доктор Франческо Д'Эудженио из Института космологии Кавли в Кембридже. «Поскольку они состоят только из первичных элементов, они ведут себя совсем иначе, чем современные звезды. Изучая, как и когда внутри звезд образовались первые металлы, мы можем установить временные рамки для самых ранних шагов на пути, который привел к образованию жизни.."

Углерод является фундаментальным элементом в эволюции Вселенной, поскольку он может образовывать пылинки, которые слипаются вместе, образуя в конечном итоге первые планетезимали и самые ранние планеты. Углерод также играет ключевую роль в формировании жизни на Земле.

«Более ранние исследования показали, что углерод начал формироваться в больших количествах относительно поздно — примерно через один миллиард лет после Большого взрыва», — сказал соавтор профессор Роберто Майолино, также из Института Кавли. «Но мы обнаружили, что углерод образовался гораздо раньше — возможно, это даже самый древний металл из всех».

Команда использовала JWST для наблюдения за очень далекой галактикой — одной из самых далеких галактик, которые когда-либо наблюдались — всего через 350 миллионов лет после Большого взрыва, более 13 миллиардов лет назад. Эта галактика компактна и имеет небольшую массу — примерно в 100 000 раз меньше массы Млечного Пути.

«Когда мы наблюдаем за ней, это всего лишь зародыш галактики, но она может превратиться во что-то довольно большое, размером с Млечный Путь», — сказал Д'Эудженио. «Но для такой молодой галактики она довольно массивна».

Исследователи использовали спектрограф ближнего инфракрасного диапазона Уэбба (NIRSpec), чтобы разложить свет, исходящий от молодой галактики, на спектр цветов. Различные элементы оставляют разные химические следы в спектре галактики, что позволяет команде определить ее химический состав. Анализ этого спектра показал уверенное обнаружение углерода и предварительное обнаружение кислорода и неона, хотя для подтверждения присутствия этих других элементов потребуются дальнейшие наблюдения.

«Мы были удивлены, увидев углерод так рано во Вселенной, поскольку считалось, что самые ранние звезды производили гораздо больше кислорода, чем углерода», — сказал Майолино. «Мы думали, что углерод был обогащен гораздо позже, посредством совершенно других процессов, но тот факт, что он появляется так рано, говорит нам о том, что самые первые звезды могли действовать совсем по-другому».

Согласно некоторым моделям, когда самые ранние звезды взорвались как сверхновые, они могли выпустить меньше энергии, чем первоначально ожидалось. В этом случае углерод, находившийся во внешней оболочке звезды и менее гравитационно связанный, чем кислород, мог бы легче уйти и распространиться по галактике, в то время как большое количество кислорода упало обратно и схлопнулось в черную дыру.

«Эти наблюдения говорят нам, что в ранней Вселенной углерод мог быстро обогащаться», — сказал Д'Эудженио. «И поскольку углерод является фундаментальным для жизни, какой мы ее знаем, не обязательно верно, что жизнь во Вселенной возникла гораздо позже. Возможно, жизнь возникла гораздо раньше — хотя, если жизнь где-то еще во Вселенной существует, она могла бы развиваться совсем иначе, чем это произошло здесь, на Земле».

Результаты приняты к публикации в журнале Astronomy & Astrophysicals и основаны на данных, полученных в рамках JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). В настоящее время статья доступна на сервере препринтов arXiv.

Больше информации: Francesco D'Eugenio et al, JADES: Carbon enrichment 350 Myr after the Big Bang in a gas-rich galaxy, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2311.09908

Источник: University of Cambridge