Cодержит гигантские молодые и сверхновые звезды: - древняя галактика, обнаруженная JWST, стремительно эволюционирует. Световые сигнатуры GLASS-z12, одной из самых далеких и древних галактик, свидетельствуют о том, что некоторые ее звезды уже взорвались сверхновыми
Астрофизики с помощью космической обсерватории James Webb Space Telescope (JWST) раскрыли удивительные подробности о галактике в ранней Вселенной сформировавшейся спустя всего 300 миллионов лет после Большого взрыва.
GLASS-z12, самая древняя галактика, обнаруженная космическим телескопом Джеймса Уэбба. Naidu et al, P. Oesch, T. Treu, GLASS-JWST, NASA/CSA/ESA/STScI
С момента своего запуска JWST продолжает бить рекорды по обнаружению настолько далеких галактик, что свет от них - дошедший до нас только сейчас - был испущен в эпоху зарождения нашей Вселенной. Эти галактики оказались наиболее многочисленными и более яркими, чем ожидалось. На этом основании ученые сделали вывод, что они что-то упускают в процессах формирования и эволюции этих гравитационно связанных молодых звездных система .
Одна из таких галактик, GLASS-z12 (исходное название GLASS-z13), оказалась настолько яркой, что по оценкам специалистов ее масса составляет примерно 1 процент от массы Млечного Пути. Ранее считалось, что для достижения таких размеров галактикам требуется гораздо больше времени, возможно, около одного миллиарда лет.
Астрофизик Хорхе Завала из Национальной астрономической обсерватории Японии и его коллеги использовали инструменты космического телескопа JWST для более детального изучения GLASS-z12. Свои выводы они опубликовали в двух работах.
С помощью спектрографов JWST они проанализировали свет галактики и обнаружили в нем водород. Его высокая концентрация указывает на наличие в GLASS-z12 гигантских молодых звезд. Масса большинства из них в 400 раз больше массы Солнца, а возраст не превышает 10 миллионов лет.
По словам Завалы, в галактике также был обнаружен кислород, что говорит о том, что некоторые ее звезды уже взрывались в виде сверхновых и синтезировали тяжелые элементы. Ученые считают, что галактика уже пережила несколько вспышек звездообразования за свои "недолгие" 100 миллионов лет существования.
"Так что это было не очень долгое и стабильное звездообразование", - говорит Завала. "Скорее всего в галактике происходило несколько кратковременных эпизодов интенсивного звездообразования. Это то, что мы называем "бурным" звездообразованием".
Эти всплески, вероятно, вызваны тем, что молодая галактика потребляет газ из окружающего межгалактического пространства. По мере поглощения этого газа могут начинаться процессы звездообразования, формируя звезды со скоростью, в 10 и более раз превышающей массу нашего Солнца в год.
Затем эти новорожденные звезды могут "подавить" процесс звездообразования всего до одной солнечной массы в год. Это связано с тем, что их излучение отталкивает газ, говорит член команды Марко Кастеллано из Астрономической обсерватории Рима в Италии. Он называет GLASS-z12 "Розеттским камнем" в изучении процессов формирования и эволюции галактик.
Уже сейчас значительная масса GLASS-z12, в миллиард раз превышающая массу нашего Солнца, говорит о том, что со временем она может превратиться в "галактического титана", в тысячи раз превосходящего по массе Млечный Путь. "Эта галактика может стать прародителем самых массивных гравитационно-связанных систем во Вселенной", - говорит Завала.
Наблюдаемые 2D (вверху) и ID (внизу) NIRSpec PRISM спектры GHZ2. На нижней панели серой линией показан среднеквадратичный уровень шума, а красным пунктиром выделены длины волн ультрафиолетовых элементов, изучаемых в рамках данного исследования.
Однако, несмотря на свою огромную массу, галактика на удивление компактна. Ее размер составляет, всего 130 световых лет, что ничтожно мало по сравнению с нашей галактикой Млечный Путь шириной в 100 000 световых лет. "Это действительно бомба", - говорит Кастеллано. "Она чрезвычайно плотная и компактная".
Астроном Сара Кендрю из научного оперативного центра НАСА Space Telescope Science Institute (STScI) в США, в ведении которого находится JWST, говорит, что эта работа является революционным шагом и важнейшей технологической вехой в истории астрономических исследований. Ранее JWST проводил ИК-спектроскопию галактик позднего типа, но новые наблюдения, фактически, "пронеслись через всю историю Вселенной и устремились к одному из самых удаленных и древних объектов, когда-либо обнаруженных человеком", - говорит она. "Это было просто потрясающе".
В этом периоде Вселенной будут изучаться и другие галактики, но GLASS-z12 уже сейчас дает нам представление о том, чего следует ожидать. "Это, вероятно, самый массивный объект этой эпохи", - говорит Завала. "Она ничего не нарушает, но это определенно уникальная система".
Аннотация к научной статье
Регистрация ионизированного водорода и кислорода в чрезвычайно яркой и древней галактике возрастом 13,5 миллиарда лет
Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) обнаружил удивительную популяцию ярких галактик в самой ранней Вселенной (< 400 млн лет после Большого взрыва), существование которых трудно объяснить с помощью традиционных моделей формирования галактик, поскольку их физические свойства до конца не изучены. Для наилучшего изучения процессов формирования галактик наиболее эффективными являются методы наблюдения энергетических переходов между состояниями электронов на атомных орбиталях ионизованного газа.
Однако за пределами диапазона z-7-9 наиболее яркие спектральные сигнатуры смещаются в среднюю инфракрасную область, где наблюдение становится все более сложным. В рамках данного исследования ученые впервые обнаружили линию рекомбинации водорода (H{\alpha)) и дважды ионизованного кислорода O2+ ([OIII]4959,5007[\AA]) при z>10 с помощью прибора MIRI, работающего в средней инфракрасной области JWST. Согласно этим данным, яркая галактика GHZ2/GLASS-z12 находится на уровне z=12,33+/-0,02, что делает ее самым удаленным астрономическим объектом с прямым спектроскопическим обнаружением этих линий и самым ярким зарегистрированным объектом этой эпохи.
Связь звездной массы с металличностью и диагностическая диаграмма ионизации. Положение GHZ2 в плоскости зависимости звездной массы от металличности в сравнении с галактиками с более низкими красными смещениями при z 4 - 9 (черные точки для отдельных галактик и фиолетовая линия для наилучшего соответствия) и с галактиками z = 10 - 13 из обзора JADES (зеленые точки; металличность рассчитана по результатам анализа SED). Все галактики с z > 10, включая GHZ2, отклоняются от нижней границы, что свидетельствует об эволюции в сторону более низких значений металличности в более ранние эпохи (примерно на ~ 0,5 dex). Предсказания симуляций FIRE1 (золотистая линия) и ASTRAEUS2 (серая область) на z 10 в целом согласуются с текущими ограничениями, в то время как симуляции ILLUSTRIS-TNG (синяя область) показывают несколько более высокую металличность, хотя и не выходят за пределы погрешностей. Несмотря на столь ранний возраст, ни одна из этих галактик не демонстрирует первозданную (близкую к нулю) металличность, что означает быстрое обогащение металлами в ранней Вселенной.
Эти наблюдения позволяют понять условия существования этой первобытной галактики, отличающейся жесткими ионизирующими условиями, редко встречающимися в местной Вселенной, и, вероятно, обусловленными компактным и молодым (<30 млн лет) звездообразованием. Соотношение кислорода и водорода в ней близко к десятой части от солнечного значения. Это указывает на стремительное обогащение металлами на ранних этапах формирования галактики. Данное исследование подтверждает исключительные условия формирования самых ярких и далеких галактик, недавно обнаруженных JWST, и демонстрирует огромный потенциал ИК-наблюдений для описания этих систем, открывая ряд новых возможностей в изучении очень ранней Вселенной.