Спектральный анализ светящейся галактики JADES-GS-z14-0, основанный на наблюдениях, проведенных в январе 2024 года, выявил красное смещение 14.32, что делает ее самой далекой из известных галактик (ранее самой далекой известной галактикой была JADES-GS-z13-0 с красным смещением). z = 13.2). Она образовалась в ранней Вселенной примерно через 290 миллионов лет после Большого взрыва. Обильное количество звездного света предполагает, что она огромна и имеет размер более 1,600 световых лет в поперечнике. Такая яркая, массивная и большая галактика в ранней Вселенной на космическом рассвете бросает вызов нынешнему пониманию формирования галактик. Первыми звездами во Вселенной были звезды Pop III с нулевым или крайне низким содержанием металлов. Однако изучение инфракрасных свойств галактики JADES-GS-z14-0 показывает наличие кислорода, что означает обогащение металлами, что означает, что поколения массивных звезд уже завершили свой жизненный путь от рождения до взрыва сверхновой примерно за 290 миллионов лет в ранней Вселенной. Таким образом, свойства этой галактики противоречат нынешним представлениям о формировании галактик в ранней Вселенной.
Самая ранняя Вселенная, примерно через 380,000 400 лет после Большого взрыва, была заполнена ионизированными газами и была полностью непрозрачной из-за рассеяния фотонов свободными электронами. За этим последовала нейтральная эпоха ранней Вселенной, продолжавшаяся около 21 миллионов лет. В эту эпоху Вселенная была нейтральной и прозрачной. Первый свет появился после того, как Вселенная стала прозрачной, из-за расширения он сместился в красный цвет в микроволновый диапазон и теперь наблюдается как космический микроволновый фон (CMB). Поскольку Вселенная была заполнена нейтральными газами, оптический сигнал не излучался (отсюда и название «темный век»). Неионизированные материалы не излучают свет, что затрудняет изучение ранней Вселенной нейтральной эпохи. Однако микроволновое излучение с длиной волны 1420 см (что соответствует 21 МГц), испускаемое холодным нейтральным космическим водородом в эту эпоху из-за сверхтонкого перехода от параллельного спина к более стабильному антипараллельному вращению, открывает новые возможности для астрономов. Это микроволновое излучение длиной 200 см будет смещено в красную область при достижении Земли и будет наблюдаться на частотах от 10 до XNUMX МГц в виде радиоволн. REACH (Радиоэксперимент по анализу космического водорода) Эксперимент направлен на обнаружение неуловимой линии космического водорода длиной 21 см.
Эпоха реионизации была следующей эпохой в истории ранней Вселенной, которая длилась примерно от 400 миллионов лет после Большого взрыва до 1 миллиарда лет. Газы подверглись повторной ионизации из-за высокоэнергетического УФ-излучения, испускаемого мощными ранними звездами. В эту эпоху началось формирование галактик и квазаров. Огни этой эпохи красные, смещенные в сторону красного и инфракрасного диапазонов. Исследования глубокого поля телескопа Хабла стали новым началом в изучении ранней Вселенной, однако их возможности в регистрации первичных огней были ограничены. Требовалась инфракрасная обсерватория в космосе. JWST специализируется исключительно на инфракрасной астрономии. изучать раннюю вселенную.
космического телескопа Джеймса Вебба (JWST) был запущен 25 декабря 2021 года. Впоследствии tt был выведен на орбиту вблизи точки Лагранжа L2 Солнце-Земля на расстоянии около 1.5 миллиона км от Земли. Он вступил в полную эксплуатацию в июле 2022 года. Используя ключевые научные инструменты на борту, такие как NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона), NIRSpec (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона), MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона), JWST ищет оптические/инфракрасные сигналы от ранних звезд и галактик. сформировались во Вселенной для лучшего понимания формирования и эволюции галактик, а также формирования звезд и планетных систем. За последние два года он дал потрясающие результаты в исследовании космического рассвета (то есть периода в первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, когда родились первые галактики).
Программа JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)
Целью этой программы является изучение эволюции галактик от высокого красного смещения до космического полудня с помощью инфракрасных изображений и спектроскопии в глубоких полях GOODS-S и GOODS-N.
В первый год исследователи JADES наткнулись на сотни галактик-кандидатов, появившихся в первые 650 миллионов лет после Большого взрыва. В начале 2023 года они обнаружили в своем наборе данных галактику, имеющую красное смещение 14, что позволяет предположить, что это, должно быть, очень далекая галактика, но она была очень яркой. Кроме того, из-за близости он оказался частью другой галактики. Таким образом, они наблюдали это усиление в октябре 2023 года. Новые данные подтвердили, что оно имеет красное смещение 14. Спектр этой галактики был необходим для определения местоположения разрыва Лайман-альфа в спектре, измерения красного смещения и определения возраста.
Лайман-альфа — это спектральная линия излучения водорода в серии Лаймана, когда электроны переходят от n=2 к n=1. Точка излома Лайман-альфа в спектре соответствует наблюдаемой длине волны (λнаблюдается). Красное смещение (z) можно рассчитать по формуле z = (λнаблюдается – λотдых) / λотдых
Галактика JADES-GS-z14-0
Соответственно, галактику снова наблюдали в январе 2024 года с помощью NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) и NIRSpec (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона). Спектральный анализ предоставил четкие доказательства того, что галактика имела красное смещение 14.32, что делает ее самой далекой из известных галактик (предыдущий рекорд самой удаленной галактики (JADES-GS-z13-0 с красным смещением z = 13.2). Она была названа JADES -GS-z14-0, светящаяся галактика на расстоянии 13.5 миллиардов световых лет. Кроме того, ее размер составлял более 1,600 световых лет, что предполагало, что источником ее светимости являются молодые звезды. Кроме того, количество звездного света означало, что это должно было произойти. быть очень массивной. Не ожидается, что галактика, существующая менее чем через 300 миллионов лет после Большого взрыва, будет обладать такими свойствами. Она не вписывается в существующие модели формирования галактик.
Было еще больше сюрпризов.
Исследователи смогли обнаружить JADES-GS-z14-0 на более длинных волнах с помощью MIRI (среднего инфракрасного прибора). Это означало улавливание излучений видимого диапазона этой галактики, которые были смещены в красную сторону, чтобы выйти за пределы диапазона для инструментов ближнего инфракрасного диапазона. Анализ показал наличие ионизированного кислорода, что указывает на высокую металличность звезды. Это возможно только тогда, когда многие поколения звезд уже прожили свой жизненный путь.
Первые звезды во Вселенной имеют нулевой или крайне низкий уровень металла. Их называют звездами Поп-III или звездами Населения III. Звезды низкого металла — это звезды поп-II. Молодые звезды имеют высокое содержание металлов и называются «поп-звездами I» или солнечными металлическими звездами. Солнце является молодой звездой с относительно высокой металличностью (1.4%). В астрономии металлом считается любой элемент тяжелее гелия. Химические неметаллы, такие как кислород, азот и т. д., в космологическом контексте являются металлами. Звезды обогащаются металлом в каждом поколении после взрыва сверхновой. Увеличение содержания металлов в звездах указывает на более молодой возраст.
Учитывая, что возраст галактики JADES-GS-z14-0 составляет менее 300 миллионов лет после Большого взрыва, звезды в этой галактике должны быть звездами Pop III с нулевым содержанием металлов. Однако MIRI JWST обнаружил присутствие кислорода.
Ввиду вышеизложенных наблюдений и выводов, свойства галактики ранней Вселенной JADES-GS-z14-0 не соответствуют современному пониманию формирования галактик. Как можно было датировать галактику с такими особенностями возрастом 290 миллионов лет после Большого взрыва? Вполне возможно, что в будущем будет обнаружено много таких галактик. Возможно, во времена Космического Рассвета существовало множество галактик.
Ссылки:
- Карниани, С., и др.. 2024. Спектроскопическое подтверждение двух светящихся галактик с красным смещением 14. Природа (2024). Опубликовано 24 июля 2024 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Препринт на axRiv. Отправлено 28 мая 2024 г. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485
- Хелтон Дж.М., и др. 2024. Фотометрическое обнаружение JWST/MIRI на длине волны 7.7 мкм звездного континуума и небулярное излучение в галактике на z>14. Препринт на axRiv. Отправлено 28 мая 2024 г. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462
- Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба. Первые яркие моменты: космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба обнаружил самую далекую из известных галактик. Опубликовано 30 мая 2024 г. Доступно по адресу: https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy
