Новаторські спостереження JWST розкривають ключову роль галактик з 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 променів у Всесвіті. Зображення дають найчіткіше зображення новонароджених галактик із дуже малою масою, створених менш ніж через мільярд років після Великого вибуху, і дозволяють припустити, що крихітні галактики є центральними в історії походження космосу.
Міжнародна група дослідників, включаючи двох астрофізиків Пенсільванія, нещодавно опублікувала свої результати в журналі Nature. Спектри показують частину першого видимого світла з періоду у Всесвіті, відомого як реіонізація, яка була викликана появою найдавніших зірок і галактик.
Первинний Всесвіт: перехід від темряви до світла
Звичайна матерія у Всесвіті почалася як гарячий щільний туман, який майже повністю складався з ядер водню та гелію, пояснив Джоель Леджа, доцент кафедри астрономії та астрофізики Пенсільванського університету та автор статті. Коли він розширювався й охолоджувався, одинокі протони й електрони почали зв’язуватися, утворюючи вперше нейтральний водень. Потім, приблизно через 500–900 мільйонів років після Великого вибуху , нейтральний водень, який переважав у ранньому Всесвіті, знову почав розділятися на іонізований газ, що стимулювало створення зірок і галактик і знімало первісний туман, щоб світло могло безперешкодно проходити через нього. космос вперше.
«Щось увімкнулося, що почало викачувати фотони дуже високої енергії в міжгалактичну порожнечу», — сказала Лея. «Ці джерела працювали як космічні маяки, які спалювали туман нейтрального водню. Що б це не було, воно було настільки енергійним і таким стійким, що весь Всесвіт повторно іонізувався».
Галактичні піонери: роль галактик малої маси
Аналізуючи спектри молодих галактик з малою масою, вчені продемонстрували, що малі галактики є сильними кандидатами на «щось», що викликало реіонізацію Всесвіту шляхом нагрівання щільного первісного газу навколо них та іонізації колись нейтрального водню.
«Якщо інші галактики з малою масою у Всесвіті такі ж звичайні та енергійні, як ці, ми думаємо, що нарешті розуміємо маяки, які згоріли в космічному тумані», — сказала Лея. «Вони були неймовірно енергійними зірками в багатьох, багатьох крихітних маленьких галактиках».
Очікується, що більшість галактик у ранньому Всесвіті будуть відносно невеликими, що ускладнить вивчення їх частоти та властивостей, додала Лея. Завдяки технологічному подвигу, який став можливим завдяки унікальній комбінації чутливості JWST і ефекту гравітаційної лінзи скупчення Abell 2744 — сусідніх галактик, які діють як космічні збільшувачі, спотворюючи простір і посилюючи світло фонових галактик — тепер можна визначити велику кількість малих галактик та їхні іонізуючі властивості протягом першого мільярда років існування Всесвіту.
«Ми виявили, що в епоху реіонізації Всесвіту малі галактики перевищували кількість масивних галактик приблизно в сто до одного», — сказав Хакім Атек, астрофізик з Університету Сорбонни, дослідник Паризького астрофізичного інституту та перший автор статті. «Ці нові спостереження також показують, що ці маленькі галактики виробляють значну кількість іонізуючих фотонів, що в чотири рази перевищує канонічні значення, які зазвичай припускаються для далеких галактик. Це означає, що загальний потік іонізуючих фотонів, випромінюваних цими галактиками, значно перевищує поріг, необхідний 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, яке закривало менші, більш віддалені галактики. Дослідники з Пенсильванського університету проаналізували всі маленькі точки світла під час дослідження, щоб зрозуміти властивості об’єктів, а також їхні ймовірні маси та відстані. Потім цей аналіз використовувався для подальших більш детальних спостережень JWST, які стали причиною цього відкриття, пояснила Лея.
До цих відкриттів існувала низка гіпотез, які ідентифікували інші джерела, відповідальні за космічну реіонізацію, такі як надмасивні чорні діри; великі галактики з масою, що перевищує один мільярд сонячних мас; і малі галактики з масою менше 1 мільярда мас Сонця. Дослідники кажуть, що підтвердження гіпотези про галактики з малою масою виявилося особливо складним, враховуючи їх низьку світність, але нові відкриття пропонують найчіткіші на сьогодні докази того, що галактики з малою масою відіграли центральну роль у реіонізації Всесвіту.
Тепер дослідники хочуть розширити дослідження до більшого масштабу, щоб підтвердити, що конкретне місце, яке вони проаналізували, відповідає середньому розподілу галактик у Всесвіті. Крім процесу реіонізації, їхні спостереження дають зрозуміти процес раннього зореутворення, як галактики виникли з первісного газу — і як вони еволюціонували у всесвіт, який ми знаємо сьогодні.
