«Космические маяки» — Уэбб раскрывает тайны первого света Вселенной.

Новаторские наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба раскрывают ключевую роль галактик малой массы в реионизации ранней Вселенной, бросая вызов существующим теориям космической эволюции.

Ученые, работающие с данными космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА (JWST), получили первые полные спектры света некоторых из старейших звезд во Вселенной. Изображения дают наиболее четкое представление о новорожденных галактиках с очень малой массой, которые сформировались менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, и позволяют предположить, что молодые галактики играют центральную роль в истории космического происхождения.

Международная группа исследователей, в том числе два астрофизика из штата Пенсильвания, недавно опубликовали свои выводы в журнале. природа. Спектры показывают часть первого видимого света из периода во Вселенной, известного как реионизация, который был вызван появлением первых звезд и галактик.

Снимки глубокого поля, полученные космическим телескопом Джеймса Уэбба НАСА, позволили впервые увидеть чрезвычайно слабые галактики, которые исследователи определили как сильных кандидатов на роль объектов, вызвавших реионизацию Вселенной. Источник: Хаким Атик/Университет Сорбонны/JWST.

Первозданная Вселенная: Переход от Тьмы к Свету

Обычная материя во Вселенной зародилась как горячий, плотный туман, почти полностью состоящий из ядер водорода и гелия, объяснил Джоэл Лига, доцент кафедры астрономии и астрофизики в Пенсильванском университете и автор статьи. По мере расширения и охлаждения отдельные протоны и электроны начали связываться, впервые образуя нейтральный водород. Примерно 500–900 миллионов лет спустя великий взрывНейтральный водород, преобладавший в ранней Вселенной, снова начал разделяться на ионизированный газ, стимулируя образование звезд и галактик и поднимая первичный туман, так что свет впервые мог беспрепятственно путешествовать по Вселенной.

«Что-то сработало и начало перекачивать фотоны очень высокой энергии в пустоту между галактиками», — сказал Лига. «Эти источники действовали как космические маяки, которые сожгли нейтральный водородный туман. Что бы это ни было, оно было настолько энергичным и постоянным, что вся Вселенная снова стала ионизированной».

Пионеры галактик: роль галактик малой массы

Анализируя спектры небольших галактик с малой массой, ученые продемонстрировали, что маленькие галактики являются сильными кандидатами на роль «вещи», которая реионизирует Вселенную, нагревая плотный первичный газ вокруг них и ионизируя ранее нейтральный водород.

«Если другие галактики с малой массой во Вселенной столь же распространены и энергичны, как эта, то мы думаем, что наконец-то достигли маяков, которые сожгли космический туман», — сказала Лига. «Они были невероятно активными звездами во многих, многих маленьких галактиках».

Лейя добавила, что большинство галактик в ранней Вселенной, как ожидается, будут относительно небольшими, что делает изучение их частоты и свойств очень трудным. Благодаря технологическому прорыву, ставшему возможным благодаря уникальному сочетанию чувствительности космического телескопа Джеймса Уэбба и эффекта гравитационного линзирования скопления Абелла 2744 — близлежащих галактик, которые действуют как космические увеличители, искажая пространство и усиливая свет фоновых галактик — теперь возможно определить численность малых галактик и их ионизирующие свойства в течение миллиарда лет.Впервые во Вселенной.

«Мы обнаружили, что в эту эпоху реионизации Вселенной маленькие галактики превосходят численностью массивные галактики примерно в сто раз больше», — сказал Хаким Атик, астрофизик из Университета Сорбонны, исследователь Парижского института астрофизики и первый автор статьи. говорится в пресс-релизе. «Эти новые наблюдения также показывают, что эти маленькие галактики произвели большое количество ионизирующих фотонов, превышающее в четыре раза фундаментальные значения, обычно предполагаемые для далеких галактик. Это означает, что общий поток ионизирующих фотонов, испускаемых этими галактиками, намного превышает требуемый порог для реионизации».

Схема космической эволюции: будущие направления

Команда штата Пенсильвания возглавила моделирование для исследования UNCOVER, целью которого было большое скопление галактик на переднем плане, которое позволило получить изображения меньших и более далеких галактик. Исследователи из Университета Пенсильвании проанализировали все крошечные точки света на скане, чтобы понять свойства объекта, а также его массу и вероятные расстояния. Этот анализ затем был использован для более детальных наблюдений JWST, которые привели к этому открытию, объяснил Лиджа.

До этих результатов существовал ряд гипотез, которые идентифицировали другие источники, ответственные за космическую реионизацию, такие как сверхмассивные черные дыры; Крупные галактики с массой более миллиарда солнечных масс; И небольшие галактики с массой менее миллиарда солнечных масс. Исследователи заявили, что подтверждение гипотезы о галактиках с малой массой оказалось особенно трудным, учитывая их низкую яркость, но новые результаты предоставляют самое четкое доказательство того, что галактики с малой массой сыграли центральную роль в реионизации Вселенной.

Теперь исследователи хотят расширить исследование до более крупных масштабов, чтобы гарантировать, что конкретное место, которое они проанализировали, представляет собой среднее распределение галактик во Вселенной. Помимо процесса реионизации, их наблюдения дают представление о процессе раннего звездообразования, о том, как галактики возникли из первичного газа и как они эволюционировали в ту вселенную, которую мы знаем сегодня.

Ссылка: «Большая часть фотонов, которые реионизировали Вселенную, пришли из карликовых галактик» Хаким Атик, Иво Лаппе, Лукас Дж. Седона Х. Прайс, Пратика Даял, Ади Зитрин, Василий Кокорев, Джон Р. Уивер, Габриэль Браммер, Питер ван Доккум, Кристина С. Уильямс, Сэм Э. Катлер, Роберт Фельдман, Ёсинобу Фудамото, Дженни Э. Грин, Джоэл Лейха, Майкл В. Маседа, Адам Музин, Ричард Бан, Кейси Папович, Эрика Дж. Нельсон, Темия Нанаяккара, Дэниэл П. Старк, Мауро Стефаноне, Кэтрин А. Сьюз, Бенджи Ван и Кэтрин Э. Уитакер, 28 февраля 2024 г., природа.
дои: 10.1038/s41586-024-07043-6

Бинъи Ван, постдокторант в области астрофизики, является еще одним соавтором исследования из штата Пенсильвания. Полный список авторов и их учреждений доступен в опубликованной статье. Исследователи признают финансирование и поддержку со стороны Французского национального центра космических исследований, Национальной программы космологии и галактик, CEA, Центра «Космический рассвет», Датского национального исследовательского фонда, Австралийского исследовательского совета, NOW, Программы Розалинды Франклин Общий фонд Европейской комиссии и Гронингенский университет. , Национальный двусторонний научный фонд США-Израиль, Национальный научный фонд США (NSF), Министерство науки и технологий Израиля и НОИРЛабОн управляется Консорциумом университетов астрономических исследований в соответствии с соглашением о сотрудничестве с NSF.