Первые галактики начали распространять тяжелые элементы по Вселенной гораздо раньше, чем считалось. К такому выводу пришли американские астрономы Университета Аризоны, изучив данные космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST). Результаты опубликованы в научном журнале Nature Astronomy (NatAstro).
Когда Вселенной было всего 500 млн лет — около 3% ее текущего возраста, — первые звезды и галактики уже сформировались. Астрономы давно предполагали, что газ вокруг них оставался почти нетронутым, состоящим в основном из водорода и гелия. Новое исследование показывает, что это не так: галактики засеивали космос тяжелыми элементами гораздо раньше, чем ожидалось.
«Мы наблюдали, что тяжелые элементы покидали галактики очень и очень рано по космическому времени. Галактики не только производили эти элементы, но и рассеивали их, возможно, засеивая другие галактики», — отметил первый автор работы Юнда Чжу.
В ранней Вселенной космос почти не содержал ничего, кроме водорода и гелия. Со временем гравитация стягивала их облака в звезды, где термоядерный синтез создавал более тяжелые элементы — углерод, кислород и другие. Когда звезды заканчивали жизнь как сверхновые, они выбрасывали эти элементы в космос, где те становились строительными блоками для будущих звезд, планет и жизни. Даже углерод в наших телах и кислород, которым мы дышим, были выкованы в предыдущих поколениях звезд.
Однако до сих пор было неясно, как и когда тяжелые элементы попадали из первых галактик в окружающую Вселенную.
Чжу изучал три ранние галактики, свет от которых шел более 13 млрд лет — они показаны такими, какими были примерно через 500 млн лет после Большого взрыва, в так называемую Эпоху реионизации. «Мы использовали сами галактики как фоновые источники света. Когда свет шел к Земле, он проходил через окружающий газ, и мы могли смотреть на спектры поглощения, чтобы обнаружить конкретные элементы», — уточнил исследователь.
Наблюдения стали возможны только благодаря инфракрасным возможностям JWST. Почти 30 часов экспозиции дали достаточно света, чтобы обнаружить слабые спектры поглощения.
За одну ночь Чжу вручную перебрал общедоступные спектры JWST от сотен галактик и нашел три с признаками тяжелых элементов, включая углерод, кислород и кремний. Линии поглощения были «сдвинуты в синюю сторону» относительно красного смещения галактик, указывая на то, что газ двигался наружу, унося эти элементы в межгалактическое пространство.
Химические «отпечатки» этих младенческих галактик оказались близки к таковым у зрелых галактик миллиарды лет спустя. Это свидетельствует о том, что даже на космическом рассвете галактики уже производили и распространяли тяжелые элементы вокруг себя.
«Представьте эти элементы, возникшие в звездах галактик, как каплю пищевого красителя в чашке воды. Цвет начинает распространяться по воде, и аналогичным образом эти тяжелые элементы из ранних галактик начали утекать в космос и «обогащать» свое окружение», — описал процесс ученый.
Процесс обмена материалом между галактиками известен как барионный цикл. Это одна из причин, по которой галактики не являются изолированными системами, а представляют собой взаимосвязанные части более крупной галактической экосистемы.
Открытие раннего барионного цикла может также помочь объяснить, почему астрономы испытывают трудности с поиском первого поколения звезд, известного как звезды Населения III. Считается, что это были самые первые звезды, сформировавшиеся из первичного газа, содержащего только водород и гелий.
Ранее ученым впервые удалось узнать состав космической пыли в 5 млрд световых лет от Земли.