Ученые обнаружили самую древнюю галактику во Вселенной

С тех пор как космический телескоп Джеймса Уэбба приступил к работе, прошло совсем немного времени, однако данные, полученные с тех пор, продолжают устанавливать новые рекорды. Недавно исследователи сообщили об уникальном открытии – меткий взор Уэбба обнаружил несколько самых древних галактик во Вселенной. Отметим, что звания «самых старых» галактик удостаивались самые разные объекты, так как их открытие происходит постепенно, однако обнаруженные Уэббом галактики представляют собой серьезную проблему для астрономов – все потому, что они рушат имеющиеся модели формирования этих обитателей космоса. Так, самая дальняя галактика, JADES-GS-z14-0, на снимках видна такой, какой она была примерно через 300 миллионов лет после Большого взрыва (существуя по меньшей мере на 100 миллионов лет раньше, чем предыдущий рекордсмен). Это означает, что свет, который запечатлел Уэбб шел до нас примерно 13,5 миллиардов лет. Соседняя галактика находится почти на таком же расстоянии
и занимает второе место в рейтинге самых древних галактик.

Телескоп Джеймса Уэбба разглядел самые древние галактики во Вселенной. Изображение: cdn.mos.cms.futurecdn.net

Галактика-рекордсмен

Объявление об открытиях, сделанных в октябре 2023 года и январе 2024 года, является последним достижением в продолжающемся исследовании рождения Вселенной, которому телескоп стоимостью 10 миллиардов долларов способствовал в рамках программы JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Цель JADES – дать жизненно важное представление о том, каким образом звезды, газ и черные дыры эволюционировали в первобытных галактиках вскоре после рождения Вселенной 13,8 миллиардов лет назад.

Эти галактики присоединяются к небольшой, но растущей популяции галактик за первые полмиллиарда лет космической истории, благодаря которым мы можем изучать звездные популяции и характерные структуры химических элементов в них, – говорит один из авторов исследования Франческо Д’Юдженио из Института космологии Кавли.

Галактика JADES-GS-z14-0, наблюдаемая Уэббом, на данный момент является самой удаленной и самой ранней из когда-либо обнаруженных объектов. Исследователи отмечают, что она появилась всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва.

На снимке, сделанном космическим телескопом Джеймса Уэбба, можно увидеть старейшую из когда-либо обнаруженных галактик. Изображение: НАСА / ЕКА / CSA / STSc / Б. Робертсон (Калифорнийский университет Санта-Крус) / Б. Джонсон (CfA) / С. Такчелла (Кембридж) / П. Каргайл (CfA)

Это интересно: Самые странные галактики во Вселенной

Однако JADES-GS-z14-0 примечательна не только своей удаленностью от Земли и возрастом. Обладая шириной около 1600 световых лет, этот космический объект отличается от других своими размерами и яркостью. Так, по мнению астрофизиков, размер JADES-GS-z14-0 доказывает, что «большая часть света исходит от большого количества молодых звезд, а не от вещества, падающего на сверхмассивную черную дыру в центре галактики, из-за чего она могла бы казаться намного меньше».

Почему древние галактики такие яркие?

Чрезвычайная яркость JADES-GS-z14-0 и тот факт, что это сияние обеспечивается молодыми звездами, означают, что JADES-GS-z14-0 представляет собой самое поразительное свидетельство быстрого формирования крупных массивных галактик в ранней Вселенной.

Член команды JADES и исследователь из Калифорнийского университета в Санта-Крузе Бен Джонсон отмечает, что обнаруженный Уэббом объект показывает, что формирование галактик в ранней Вселенной было очень быстрым и интенсивным.

Космический телескоп Джеймса Уэбба видит красным цветом ранние галактики. Так выглядит самая древняя галактика во Вселенной – JADES-GSz14-0. Изображение: НАСА / ЕКА / CSA / STSc / Б. Робертсон (Калифорнийский университет Санта-Крус) / Б. Джонсон (CfA) / С. Такчелла (Кембридж) / П. Каргайл (CfA)

Самое поразительное заключается в том, что в будущем космический телескоп Джеймса Уэбба позволит нам обнаружить больше таких галактик, возможно, когда Вселенная была еще моложе. А это, в свою очередь, прекрасная возможность изучить зарождение и эволюцию галактик, – говорят ученые в заявлении.

Напомним, что телескоп Джеймса Уэбба – эксперт в наблюдении ранних галактик благодаря высокой инфракрасной чувствительности своих приборов, в частности, основного устройства формирования изображений – камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam). Так, в 2023 году Уэбб обнаружил гипотетические звезды, питающиеся темной материей.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram – так вы точно не пропустите ничего интересного!

Свет, исходящий от этих галактик на заре космической эры, имеет широкий диапазон длин волн, аналогичный свету от галактик, расположенных ближе к Млечному Пути. Путь, длящийся миллиарды лет, преобразует этот свет в низкоэнергетическое и длинноволновое излучение в ближней и инфракрасной областях электромагнитного спектра.

Диаграмма, показывающая электромагнитный спектр и связанную с ним длину волны света. Солнце излучает свет во всем электромагнитном спектре, включая все цвета видимого света. (Изображение предоставлено НАСА в программе Imagine the Universe)

Сама ткань пространства расширяется, и когда свет проходит через нее, его длина волны увеличивается вместе с ним. «Это приводит к тому, что свет «смещается» в красную часть электромагнитного спектра, отсюда и название этого явления – «красное смещение»», – объясняют астрономы.

Красное смещение

Как мы рассказывали ранее, более удаленным галактикам приходится пересекать большее пространство (которое растягивается по мере расширения), прежде чем их свет достигнет нас, из-за и происходит красное смещение.

Именно его исследователи используют для измерения расстояния до небесных объектов с известным спектром. А поскольку свету требуется определенное время для того, чтобы достигнуть того или иного объекта, это расстояние можно использовать для расчета того, как давно существовали эти галактики в том виде, в каком мы их наблюдаем.

На графике изображена красная линия, идущая вниз слева направо: «данная галактика образовалась через 300 миллионов лет после Большого взрыва». (Изображение предоставлено НАСА, ЕКА, CSA, Дж. Олмстедом (STScI). Наука: С. Карниани (Высшая школа естественных наук), коллаборация JADES.)

Когда обе древние галактики были впервые обнаружены Уэббом, ученые предположили, что они могут быть небесными соседями. Эта идея, однако, была развеяна в октябре прошлого года, когда команда JADES в течение пяти дней проводила глубокий анализ JADES-GS-z14-0 с помощью NIRCam. Применение фильтров, специально разработанных для идентификации ранних галактик, подтвердило экстремальное расстояние до JADES-GS-z14-0.

Мы просто не могли найти никакого правдоподобного объяснения тому, что эта галактика является просто соседкой более близкой галактики, – сказал Кевин Хейнлайн, член команды JADES из Университета Аризоны.

Галактика удивила своих первооткрывателей также и тем, что ее излучение краснее, чем ожидалось. Дело оказалось в том, что свет от JADES-GS-z14-0 «краснеет» из-за содержащейся в нем пыли, которая станет строительными блоками для звезд, которые помогут этой галактике вырасти еще больше.

Сюрприз из космоса

Другим сюрпризом стало обнаружение кислорода в JADES-GS-z14-0. Напомним, что элементы тяжелее водорода и гелия образуются звездами в течение их жизни, а затем распределяются по галактикам, когда эти звезды взрываются. Наличие кислорода в JADES-GS-z14-0 может указывать на то, что по крайней мере одно поколение звезд уже жило и умерло в этой очень древней галактике.

«Все вместе эти наблюдения свидетельствуют о том, что JADES-GS-z14-0 не похожа на те типы галактик, существование которых было предсказано теоретическими моделями и компьютерным моделированием в очень ранней Вселенной», – говорит Джейк Хелтон из обсерватории Стюарда и Университета Аризоны.

В будущем мы обнаружим еще больше древних галактик. Изображение: static.scientificamerican.com

Учитывая наблюдаемую яркость источника, мы можем предсказать, как она может возрасти с течением космического времени, и до сих пор мы не нашли подходящих аналогов среди сотен других галактик, которые мы наблюдали при высоком красном смещении в ходе нашего исследования, – добавил он.

Ну а учитывая относительно небольшой участок неба, который изучил космический телескоп Уэбба, чтобы найти JADES-GS-z14-0, новое открытие имеет серьезные последствия для прогнозируемого количества ярких галактик, которые мы видим в ранней Вселенной.

Не пропустите: Обнаружены 12 странных квазаров или «крестов Эйнштейна»

Так что вполне вероятно, что в течение следующего десятилетия с помощью Уэбба астрономы обнаружат множество таких светящихся галактик, возможно, даже более древних. Полностью ознакомиться с текстом статей о новом удивительном открытии можно на сервере препринтов arXiv. Статьи, в которых одновременно изучаются свойства света галактики, можно найти здесь и здесь.