Уэбб раскрывает неожиданную сложную химию в первичной галактике

Это инфракрасное изображение с космического телескопа NASA James Webb было получено бортовой камерой ближнего инфракрасного диапазона для программы JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, или JADES. Данные NIRCam использовались для определения галактик для дальнейшего изучения с помощью спектроскопических наблюдений. Одна из таких галактик, JADES-GS-z14-0 (показана на врезке), была определена с красным смещением 14,3, что делает ее текущим рекордсменом среди самых далеких известных галактик. Это соответствует времени менее 300 миллионов лет после Большого взрыва. Автор: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (University of Arizona), Daniel Eisenstein (CfA), Phill Cargile (CfA)

Астрономы Университета Аризоны узнали больше об удивительно зрелой галактике, которая существовала, когда Вселенной было чуть менее 300 миллионов лет — всего 2% от ее нынешнего возраста.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Astronomy, основываются на предыдущем открытии исследователей, о котором было сообщено в 2024 году, JADES-GS-z14-0 как самой далекой из когда-либо наблюдавшихся галактик. В то время как первоначальное открытие установило рекордное расстояние галактики и неожиданную яркость, это новое исследование глубже изучает ее химический состав и эволюционное состояние.

Работа проводилась в рамках Расширенного глубокого внегалактического обзора JWST (JADES), крупной программы космического телескопа Джеймса Уэбба, предназначенной для изучения далеких галактик.

Это не просто наткнулись на что-то неожиданное, сказал Кевин Хейнлайн, соавтор нового исследования и доцент-исследователь в обсерватории Стюарда при Университете Альберты. Исследование было намеренно разработано для поиска далеких галактик, но эта побила рекорды команды способами, которых они не ожидали — она была изначально яркой и имела сложный химический состав, что было совершенно неожиданным на столь раннем этапе истории Вселенной.

«Это не просто крошечная крупинка. Она яркая и довольно протяженная для возраста Вселенной, когда мы ее наблюдали», — сказал Хайнлайн.

«Тот факт, что мы нашли эту галактику в крошечной области неба, означает, что их должно быть больше», — сказал ведущий автор исследования Якоб Хелтон, аспирант обсерватории Стюарда. «Если бы мы посмотрели на все небо, чего мы не можем сделать с JWST, мы бы в конечном итоге нашли больше этих экстремальных объектов».

Исследовательская группа использовала несколько инструментов на борту JWST, включая камеру ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam), разработкой которой руководила профессор астрономии U of A Regents Марсия Рике. Другой инструмент на телескопе — прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI) — обнаружил нечто необычное: значительные количества кислорода.

В астрономии все, что тяжелее гелия, считается «металлом», сказал Хелтон. Для производства таких металлов требуются поколения звезд. Ранняя Вселенная содержала только водород, гелий и следовые количества лития. Но обнаружение значительного количества кислорода в галактике JADES-GS-z14-0 предполагает, что галактика формировала звезды в течение потенциально 100 миллионов лет до того, как ее наблюдали.

Хронология вселенной: Хотя мы не уверены точно, когда первые звезды начали светить, мы знаем, что они должны были сформироваться где-то после эпохи рекомбинации, когда образовались атомы водорода и гелия (через 380 000 лет после большого взрыва), и до того, как появились самые старые известные галактики (через 400 миллионов лет после большого взрыва). Ультрафиолетовый свет, излучаемый первыми звездами, разложил нейтральный водородный газ, заполнявший вселенную, на ионы водорода и свободные электроны, положив начало эпохе реионизации и концу Темных веков вселенной. Автор: NASA, ESA, CSA, STScI

Чтобы создать кислород, галактика должна была начаться очень рано, потому что ей пришлось бы сформировать поколение звезд, сказал Джордж Рике, профессор астрономии и старший автор исследования. Эти звезды должны были эволюционировать и взрываться как сверхновые, чтобы выпустить кислород в межзвездное пространство, из которого должны были формироваться и эволюционировать новые звезды.

«Это очень сложный цикл, чтобы получить столько кислорода, сколько есть в этой галактике. Так что это действительно ошеломляет», — сказал Рике.

Полученные данные свидетельствуют о том, что звездообразование началось даже раньше, чем считали ученые, что отодвигает временную шкалу того, когда первые галактики могли сформироваться после Большого взрыва.

Наблюдение потребовало около девяти дней работы телескопа, включая 167 часов съемки NIRCam и 43 часа съемки MIRI, сфокусированных на невероятно малом участке неба.

Астрономам из Университета Альберты повезло, что эта галактика оказалась в идеальном месте для наблюдения с помощью MIRI. Если бы они направили телескоп всего на долю градуса в любом направлении, они бы упустили эти важные данные в среднем инфракрасном диапазоне, сказал Хелтон.

«Представьте себе песчинку на конце вашей руки. Вы видите, насколько она велика в небе — вот насколько большой мы ее рассматривали», — сказал Хелтон.

Существование столь развитой галактики на столь раннем этапе космической истории служит мощным проверочным примером для теоретических моделей формирования галактик.

«Наше участие здесь является результатом того, что Университет Альберты лидирует в области инфракрасной астрономии с середины 60-х годов, когда она только зарождалась. У нас была первая крупная группа по инфракрасной астрономии в Лунной и планетарной лаборатории, в которую входили Джерард Койпер, Фрэнк Лоу и Гарольд Джонсон», — сказал Рике.

Поскольку люди получают возможность непосредственно наблюдать и понимать галактики, существовавшие в период зарождения Вселенной, это может дать важнейшее представление о том, как Вселенная развивалась от простых элементов до сложных химических соединений, необходимых для жизни, какой мы ее знаем.

«Мы переживаем невероятное время в истории астрономии», — сказал Хайнлайн. «Мы способны понимать галактики, которые намного превосходят все, что когда-либо находили люди, видеть их разными способами и действительно понимать их. Это настоящее волшебство».

Больше информации: Jakob M. Helton et al, Photometric detection at 7.7 μm of a galaxy beyond redshift 14 with JWST/MIRI, Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-025-02503-z

Источник: University of Arizona