Телескоп Webb доводить, що галактики змінили ранній Всесвіт

Космічний телескоп Джеймса Вебба повернув надзвичайно детальні зображення та спектри галактик, які існували, коли Всесвіту було лише 900 мільйонів років. «На зображенні Вебба в ближньому інфрачервоному діапазоні ми можемо побачити структури в кожній окремій галактиці, яку виявив телескоп», — поділився Джоріт Матті з ETH Zürich. «Вебб показує нам повну пригод молодість цих ранніх галактик».

Ці галактики виглядають більш хаотично, ніж галактики у сусідньому Всесвіті – вони громіздкі й часто витягнуті. Ці галактики також молодші й активно утворюють зірки. Зірки, які виявив Вебб, є все більш масивними, що може призвести до появи великої кількості барвистих наднових зірок у цих галактиках.

У ранньому Всесвіті газ між зірками і галактиками був непрозорим – енергійне зоряне світло не могло проникати через нього. Але через 1 мільярд років після Великого вибуху газ став повністю прозорим. чому Нові дані, отримані космічним телескопом Джеймса Вебба НАСА, точно встановили причину: зірки галактик випромінювали достатньо світла, щоб нагріти та іонізувати газ навколо них, очищаючи наш колективний погляд протягом сотень мільйонів років.

Результати дослідницької групи під керівництвом Саймона Ліллі з ETH Zürich у Швейцарії є найновішими уявленнями про період часу, відомий як Ера реіонізації (див. зображення нижче), коли Всесвіт зазнав драматичних змін. Після Великого вибуху газ у Всесвіті був неймовірно гарячим і щільним. Протягом сотень мільйонів років газ охолоджувався. Потім всесвіт натиснув «повторити». Газ знову став гарячим та іонізованим – ймовірно, через утворення ранніх зірок у галактиках, і за мільйони років став прозорим.

Понад 13 мільярдів років тому, під час ери реіонізації, Всесвіт був зовсім іншим місцем. Газ між галактиками був здебільшого непрозорим для енергійного світла, що ускладнювало спостереження за молодими галактиками. Коли зірки та молоді галактики продовжували формуватися та розвиватися, вони почали змінювати газ навколо себе. За сотні мільйонів років газ перетворився з нейтрального, непрозорого газу на іонізований, прозорий газ.
Що дозволило Всесвіту стати повністю іонізованим, що призвело до «ясних» умов, які ми бачимо в сучасному Всесвіті?

Дослідники довго шукали остаточні докази, щоб пояснити ці трансформації. Нові результати ефективно відсувають завісу в кінці цього періоду реіонізації. «Вебб не тільки чітко показує, що ці прозорі області знаходяться навколо галактик, ми також виміряли їх розмір», — пояснив Даічі Кашіно з університету Нагоя в Японії, провідний автор першої статті команди. «Завдяки даним Вебба ми бачимо, як галактики повторно іонізують газ навколо себе».

Ці області прозорого газу є гігантськими порівняно з галактиками – уявіть собі повітряну кулю з горошиною, підвішеною всередині. Дані Вебба показують, що ці відносно крихітні галактики викликали реіонізацію, очищаючи масивні області простору навколо них. Протягом наступних ста мільйонів років ці прозорі «бульбашки» продовжували ставати все більшими та більшими, врешті-решт зливаючись, і весь Всесвіт став прозорим.

Команда Ліллі навмисно націлилася на час перед кінцем ери реіонізації, коли Всесвіт був не зовсім чистим і не зовсім прозорим – він містив клапті газу в різних станах. Вчені спрямували Вебба в напрямку квазара – надзвичайно яскравої активної надмасивної чорної діри , яка діє як величезний ліхтарик, – виділяючи газ між квазаром і нашими телескопами. (Знайдіть його в центрі цього виду: він маленький і рожевий з шістьма помітними дифракційними шипами.)

Стрілки компаса на північ і схід показують орієнтацію зображення на небі. Зауважте, що співвідношення між північчю та сходом на небі (як видно знизу) перевернуто відносно стрілок напрямку на карті землі (як видно згори). Масштабна шкала позначена 1 кутовою хвилиною.
Це зображення показує невидимі хвилі ближнього інфрачервоного світла, які були переведені у кольори видимого світла. Кольоровий ключ показує, які фільтри NIRCam використовувалися під час збору світла. Колір назви кожного фільтра — це колір видимого світла, який використовується для представлення інфрачервоного світла, яке проходить через цей фільтр. На цьому зображенні синій, зелений і червоний віднесені до даних NIRCam на 1,15, 2 і 3,65 мікрон (F115W, F200W і F365W) відповідно.

Коли світло квазара проходило до нас через різні плями газу, воно або поглиналося непрозорим газом, або вільно рухалося крізь прозорий газ. Інноваційні результати команди були можливими лише завдяки поєднанню даних Вебба зі спостереженнями центрального квазара з обсерваторії В. М. Кека на Гаваях, а також дуже великого телескопа Європейської південної обсерваторії та телескопа Магеллана в обсерваторії Лас Кампанас, обидва в Чилі.

Потім дослідники використовували Webb для ідентифікації галактик поблизу цієї лінії зору та показали, що галактики зазвичай оточені прозорими областями радіусом близько 2 мільйонів світлових років. Іншими словами, Вебб був свідком того, як галактики очищали простір навколо них наприкінці ери реіонізації. Щоб пояснити це в перспективі, площа, яку очистили ці галактики, приблизно така ж відстань, як простір між нашою галактикою Чумацький Шлях і нашим найближчим сусідом, Андромедою.

Досі дослідники не мали остаточних доказів того, що спричинило реіонізацію – до Вебба вони не були впевнені, що саме було відповідальним.

Як виглядають ці галактики? «Вони більш хаотичні, ніж у сусідньому Всесвіті», — пояснив Йоріт Метті, також з ETH Zürich і провідний автор другої статті команди. «Вебб показує, що вони активно формували зірки і, мабуть, запускали багато наднових. У них була досить авантюрна молодість!»

Попутно Ейлерс використовував дані Вебба, щоб підтвердити, що чорна діра в квазарі в центрі цього поля є наймасивнішою з відомих на цю мить у ранньому Всесвіті, її вага в 10 мільярдів разів перевищує масу Сонця. «Ми досі не можемо пояснити, як квазари змогли вирости настільки великими на такому ранньому етапі історії Всесвіту», — поділилася вона. «Це ще одна головоломка, яку потрібно вирішити!» Вишукані зображення, зроблені Веббом, також не виявили доказів того, що світло від квазара було лінзоване гравітацією, що гарантує, що вимірювання маси є остаточними.