«Космічні маяки» — Вебб розкриває таємниці першого світла Всесвіту

Піонерські спостереження за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба розкривають ключову роль галактик із малою масою в реіонізації раннього Всесвіту, кидаючи виклик існуючим теоріям космічної еволюції.

Вчені, які працюють з даними космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST) НАСА, отримали перші повні спектри деяких із найдавніших зіркових сяйв у Всесвіті. Зображення дають найчіткішу картину новонароджених галактик із дуже малою масою, які утворилися менш ніж через мільярд років після Великого вибуху, і дозволяють припустити, що молоді галактики відіграють центральну роль в історії походження космосу.

Міжнародна група дослідників, включаючи двох астрофізиків Пенсильванії, нещодавно опублікувала свої висновки в журналі природи. Спектри показують частину першого видимого світла з періоду у Всесвіті, відомого як реіонізація, який був підживлений появою перших зірок і галактик.

Зображення глибокого поля, зроблені космічним телескопом Джеймса Вебба NASA, дали перші проблиски надзвичайно тьмяних галактик, які дослідники визначили як сильних кандидатів на об’єкти, які спровокували реіонізацію Всесвіту. Джерело зображення: Hakim Atiq/Університет Сорбонна/JWST

Первісний Всесвіт: перехід від темряви до світла

Звичайна матерія у Всесвіті виникла як гарячий щільний туман, що майже повністю складається з ядер водню та гелію, пояснив Джоел Ліга, доцент кафедри астрономії та астрофізики Пенсільванського університету та автор статті. Коли він розширювався й охолоджувався, окремі протони й електрони почали зв’язуватися, утворюючи вперше нейтральний водень. Приблизно через 500-900 мільйонів років великий вибухНейтральний водень, який переважав у ранньому Всесвіті, знову почав розділятися на іонізований газ, стимулюючи утворення зірок і галактик і знімаючи первісний туман, щоб світло вперше могло безперешкодно подорожувати Всесвітом.

«Щось спрацювало і почало закачувати фотони дуже високої енергії в порожнечу між галактиками», — сказав Ліга. “Ці джерела діяли як космічні маяки, які спалювали нейтральний водневий туман. Що б це не було, воно було настільки енергійним і стійким, що весь Всесвіт знову став іонізованим”.

Піонери галактик: роль галактик малої маси

Аналізуючи спектри малих галактик із малою масою, вчені продемонстрували, що малі галактики є сильними кандидатами на роль «речі», яка повторно іонізує Всесвіт шляхом нагрівання щільного первісного газу навколо них та іонізації раніше нейтрального водню.

«Якщо інші галактики з малою масою у Всесвіті такі ж звичайні та яскраві, як ці, то ми вважаємо, що нарешті дійшли до маяків, які згоріли в космічному тумані», — сказав Ліга. «Вони були неймовірно активними зірками в багатьох, багатьох малих галактиках».

Лейя додав, що очікується, що більшість галактик у ранньому Всесвіті будуть відносно невеликими, що дуже ускладнює вивчення їх частоти та властивостей. Завдяки технологічному прориву, який став можливим завдяки унікальній комбінації чутливості космічного телескопа Джеймса Вебба та ефекту гравітаційної лінзи скупчення Abell 2744 — сусідніх галактик, які діють як космічні збільшувачі, спотворюючи простір і посилюючи світло фонових галактик — це Тепер можна визначити чисельність малих галактик та їхні іонізуючі властивості протягом мільярда років. Вперше у Всесвіті.

«Ми виявили, що в епоху реіонізації Всесвіту кількість малих галактик перевищує кількість масивних галактик приблизно в сто до однієї», — Хакім Атік, астрофізик з Університету Сорбонни, дослідник Паризького інституту астрофізики та перший автор статті. йдеться в прес-релізі. “Ці нові спостереження також показують, що ці малі галактики створили велику кількість іонізуючих фотонів, що в чотири рази перевищує фундаментальні значення, зазвичай прийняті для далеких галактик. Це означає, що загальний потік іонізуючих фотонів, випромінюваних цими галактиками, значно перевищує необхідний поріг. для реіонізації».

Планування космічної еволюції: майбутні напрямки

Команда штату Пенсільванія очолила моделювання для опитування UNCOVER, яке було націлене на велике скупчення галактик на передньому плані, на якому зображені менші, більш віддалені галактики. Дослідники з Penn State проаналізували всі крихітні точки світла під час сканування, щоб зрозуміти властивості об’єкта, а також його масу та ймовірні відстані. Потім цей аналіз використовувався для більш детальних спостережень JWST, які привели до цього відкриття, пояснила Лія.

До цих результатів існувала низка гіпотез, які ідентифікували інші джерела, відповідальні за космічну реіонізацію, такі як надмасивні чорні діри; Великі галактики, маса яких перевищує мільярд сонячних мас; І малі галактики з масою менше мільярда мас Сонця. Дослідники сказали, що підтвердити гіпотезу щодо галактик з малою масою виявилося особливо складно, враховуючи їх низьку яскравість, але нові результати дають найчіткіші докази того, що галактики з малою масою відіграли центральну роль у реіонізації Всесвіту.

Тепер дослідники хочуть розширити дослідження до більшого масштабу, щоб переконатися, що конкретне місце, яке вони проаналізували, представляє середній розподіл галактик у Всесвіті. Крім процесу реіонізації, їхні спостереження дають зрозуміти процес раннього зореутворення, як галактики виникли з первісного газу та як вони еволюціонували у всесвіт, який ми знаємо сьогодні.

Довідка: «Більшість фотонів, які реіонізували Всесвіт, походять із карликових галактик» Хакіма Атіка, Іво Лаппе, Лукаса Дж. Седона Х. Прайс, Пратіка Даял, Аді Зітрин, Василь Кокорєв, Джон Р. Вівер, Габріель Браммер, Пітер ван Доккум, Крістіна С. Вільямс, Сем Е. Катлер, Роберт Фельдман, Йосінобу Фудамото, Дженні Е. Грін, Джоел Лейджа, Майкл В. Македа, Адам Музін, Річард Пен, Кейсі Папович та Еріка Дж. Нельсон, Темія Нанаяккара та Деніел Б. Старк, Мауро Стефаноне та Кетрін А. Сасс, Бінджі Ван і Кетрін Е. Вітакер, 28 лютого 2024 р. природи.
doi: 10.1038/s41586-024-07043-6

Іншим співавтором дослідження з Пенсільванського університету є Bingyi Wang, докторант з астрофізики. Повний список авторів та їхніх установ доступний в опублікованій статті. Дослідники висловлюють подяку за фінансування та підтримку з боку Французького національного центру космічних досліджень, Національної програми космології та галактик, CEA, Центру космічного світанку, Датського національного дослідницького фонду, Австралійської дослідницької ради, NOW, Програми Розалінд Франклін Загальний фонд Європейської комісії та Університет Гронінгена. Національний науковий фонд США та Ізраїлю, Національний науковий фонд США (NSF), Міністерство науки і технологій Ізраїлю та NOIRLabНим керує Консорціум університетів з дослідження астрономії згідно з угодою про співпрацю з NSF.