Ранні Сусвет: самая далёкая галактыка “JADES-GS-z14-0″ кідае выклік мадэлям фарміравання галактыкі  

Спектральны аналіз яркай галактыкі JADES-GS-z14-0, заснаваны на назіраннях, праведзеных у студзені 2024 г., выявіў чырвонае зрушэнне 14.32, што робіць яе самай далёкай галактыкай з вядомых (папярэдняй самай далёкай вядомай галактыкай была JADES-GS-z13-0 на чырвоным зрушэнні з z = 13.2). Ён утварыўся ў раннім Сусвеце прыкладна праз 290 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху. Вялікая колькасць зорнага святла азначае, што яна велізарная і мае памер больш за 1,600 светлавых гадоў. Такая яркая, масіўная і вялікая галактыка ў раннім Сусвеце на касмічным світанні супярэчыць сучаснаму разуменню фарміравання галактык. Першымі зоркамі ў Сусвеце былі зоркі Pop III з нулявым або надзвычай нізкім утрыманнем металу. Тым не менш, вывучэнне інфрачырвоных уласцівасцей галактыкі JADES-GS-z14-0 паказвае наяўнасць кіслароду, што азначае ўзбагачэнне металам, што азначае, што пакаленні масіўных зорак ужо завяршылі свой жыццёвы шлях ад нараджэння да выбуху звышновай прыкладна за 290 мільёнаў гадоў у раннім Сусвеце. Такім чынам, уласцівасці гэтай галактыкі супярэчаць сучаснаму разуменню фарміравання галактык у раннім Сусвеце.   

Самы ранні Сусвет, прыкладна праз 380,000 400 гадоў пасля Вялікага выбуху, быў запоўнены іянізаванымі газамі і быў цалкам непразрыстым з-за рассейвання фатонаў свабоднымі электронамі. За гэтым рушыла ўслед нейтральная эпоха ранняга Сусвету, якая доўжылася каля 21 мільёнаў гадоў. У гэтую эпоху Сусвет быў нейтральным і празрыстым. Першае святло з'явілася пасля таго, як Сусвет стаў празрыстым, стаў чырвоным, зрушыўшыся ў мікрахвалевы дыяпазон з-за пашырэння, і цяпер назіраецца як касмічны мікрахвалевы фон (CMB). Паколькі Сусвет быў напоўнены нейтральнымі газамі, аптычны сігнал не выпраменьваўся (таму называецца цёмны век). Неіянізаваныя матэрыялы не выпраменьваюць святла, таму цяжкасці ў вывучэнні ранняга сусвету нейтральнай эпохі. Аднак мікрахвалевае выпраменьванне з даўжынёй хвалі 1420 см (што адпавядае 21 МГц), якое выпраменьваецца халодным нейтральным касмічным вадародам у гэтую эпоху з-за звыштонкага пераходу ад паралельнага да больш стабільнага антыпаралельнага спіна, адкрывае магчымасці для астраномаў. Гэта 200-сантыметровае мікрахвалевае выпраменьванне будзе зрушана ў чырвоны колер пры дасягненні Зямлі і будзе назірацца на частотах ад 10 МГц да XNUMX МГц як радыёхвалі. The ДАБРАЎСЯ (Радыёэксперымент для аналізу касмічнага вадароду) Эксперымент накіраваны на выяўленне няўлоўнай 21-сантыметровай лініі ад касмічнага вадароду.  

Эпоха рэіанізацыі была наступнай эпохай у гісторыі ранняга Сусвету, якая доўжылася прыкладна ад 400 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху да 1 мільярда гадоў. Газы зноў іянізуюцца з-за высокай энергіі УФ-выпраменьвання, выпраменьванага магутнымі раннімі зоркамі. У гэтую эпоху пачалося фарміраванне галактык і квазараў. Агні гэтай эпохі чырвоныя, зрушаныя ў бок чырвонага і інфрачырвонага дыяпазонаў. Глыбокія палявыя даследаванні Huble былі новым пачаткам у вывучэнні ранняга Сусвету, аднак яго магчымасці для фіксацыі першаснага святла былі абмежаваныя. Патрэбна была інфрачырвоная абсерваторыя ў космасе. JWST спецыялізуецца выключна на інфрачырвонай астраноміі вывучэнне ранняга Сусвету. 

Джэймс Уэб Касмічны тэлескоп (JWST) быў запушчаны 25 снежня 2021 г. Пасля гэтага tt быў выведзены на арбіту каля кропкі Лагранжа Сонца-Зямля L2 прыкладна ў 1.5 мільёна км ад Зямлі. Ён пачаў цалкам працаваць у ліпені 2022 года. Выкарыстоўваючы ключавыя навуковыя інструменты на борце, такія як NIRCam (камера блізкага інфрачырвонага дыяпазону), NIRSpec (спектрограф блізкага інфрачырвонага дыяпазону), MIRI (прыбор сярэдняга інфрачырвонага дыяпазону), JWST шукае аптычныя/інфрачырвоныя сігналы ад ранніх зорак і галактык. утварыліся ў Сусвеце для лепшага разумення фарміравання і эвалюцыі галактык і фарміравання зорак і планетных сістэм. За апошнія два гады ён даў захапляльныя вынікі ў даследаванні касмічнага світання (г. зн. перыяду ў першыя некалькі сотняў мільёнаў гадоў пасля вялікага выбуху, дзе нарадзіліся першыя галактыкі).  

Праграма JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). 

Гэтая праграма накіравана на вывучэнне эвалюцыі галактык ад высокага чырвонага зрушэння да касмічнага поўдня з дапамогай інфрачырвонага візуалізацыі і спектраскапіі ў глыбокіх палях GOODS-S і GOODS-N.  

У першы год даследчыкі JADES наткнуліся на сотні галактык-кандыдатаў з першых 650 мільёнаў гадоў пасля вялікага выбуху. У пачатку 2023 года яны знайшлі ў сваім наборы даных галактыку, якая, здавалася, мела чырвонае зрушэнне 14, што сведчыць аб тым, што гэта вельмі далёкая галактыка, але яна была вельмі яркай. Акрамя таго, яна здавалася часткай іншай галактыкі з-за блізкасці. Такім чынам, яны назіралі гэты прырост у кастрычніку 2023 года. Новыя дадзеныя пацвярджаюць, што чырвонае зрушэнне роўнае 14. Спектр гэтай галактыкі быў неабходны для вызначэння месцазнаходжання разрыву Лаймана-альфа ў спектры, каб вымераць чырвонае зрушэнне і вызначыць узрост. 

Лайман-альфа - спектральная лінія выпраменьвання вадароду ў серыі Лаймана, калі электроны пераходзяць ад n=2 да n=1. Кропка разрыву Лаймана-альфа ў спектры адпавядае назіранай даўжыні хвалі (λ_{назіраецца}). Чырвоны зрух (z) можна вылічыць па формуле z = (λ_{назіраецца} – λ_{Адпачынак}) / λ_{Адпачынак} 

Галактыка JADES-GS-z14-0    

Адпаведна, галактыку зноў назіралі ў студзені 2024 года з дапамогай NIRCam (камера блізкага інфрачырвонага дыяпазону) і NIRSpec (спектрограф блізкага інфрачырвонага дыяпазону). Спектральны аналіз даў дакладныя доказы таго, што галактыка знаходзілася на чырвоным зрушэнні 14.32, што робіць яе самай далёкай галактыкай з вядомых (папярэдні рэкорд самай аддаленай галактыкі (JADES-GS-z13-0 пры чырвоным зрушэнні z = 13.2). Яе назвалі JADES -GS-z14-0, яркая галактыка на адлегласці 13.5 мільярдаў светлавых гадоў. Акрамя таго, яна мела памеры больш за 1,600 светлавых гадоў, што сведчыць аб тым, што крыніцай яе свяцільнасці з'яўляюцца маладыя зоркі Не чакаецца, што галактыка, якая існуе менш чым праз 300 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху, будзе мець такія ўласцівасці.  

Сюрпрызаў было яшчэ больш.  

Даследчыкі змаглі выявіць JADES-GS-z14-0 на вялікіх даўжынях хваль з дапамогай MIRI (Infrared Instrument). Гэта азначала фіксацыю выпраменьванняў бачнага дыяпазону святла з гэтай галактыкі, якія былі зрушаны ў чырвоны колер і апынуліся па-за дыяпазонам для прыбораў блізкага інфрачырвонага дыяпазону. Аналіз паказаў прысутнасць іянізаванага кіслароду, што сведчыць аб высокай металічнасці зоркі. Гэта магчыма толькі тады, калі многія пакаленні зорак пражылі свой жыццёвы шлях.  

Першыя зоркі ў Сусвеце маюць нулявое або надзвычай нізкае ўтрыманне металу. Іх называюць Pop III зоркамі або Population III зоркамі. Зоркі нізкага металу - гэта зоркі Pop II. Маладыя зоркі маюць высокае ўтрыманне металаў і называюцца «зоркамі Pop I» або сонечнымі металічнымі зоркамі. Сонца з'яўляецца нядаўняй зоркай з адносна высокай металічнасцю (1.4%). У астраноміі любы элемент, цяжэйшы за гелій, лічыцца металам. Хімічныя неметалы, такія як кісларод, азот і г.д., з'яўляюцца металамі ў касмалагічным кантэксце. Зоркі ўзбагачаюцца металам у кожным пакаленні пасля падзеі звышновай. Павелічэнне ўтрымання металу ў зорках паказвае на малады ўзрост.   

Улічваючы, што ўзрост галактыкі JADES-GS-z14-0 складае менш за 300 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху, зоркі ў гэтай галактыцы павінны быць зоркамі Pop III з нулявым утрыманнем металаў. Тым не менш, MIRI JWST выявіў наяўнасць кіслароду.  

З улікам прыведзеных вышэй назіранняў і знаходак, уласцівасці галактыкі JADES-GS-z14-0 ранняга Сусвету не адпавядаюць сучаснаму разуменню фарміравання галактык. Як галактыку з такімі асаблівасцямі можна датаваць 290 мільёнамі гадоў пасля Bing Bang? Цалкам магчыма, што ў будучыні будзе адкрыта шмат такіх галактык. Магчыма, на Касмічным світанку існавала разнастайнасць галактык. 

*** 

Спасылкі:  

1. Карніані, С., і інш. 2024. Спектраскапічнае пацверджанне дзвюх святлівых галактык пры чырвоным зрушэнні 14. Прырода (2024). Апублікавана 24 ліпеня 2024 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Прэпрынт у axRiv. Прадстаўлена 28 мая 2024 г. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485  

2. Хэлтан Дж.М., і інш 2024. Фотаметрычнае выяўленне JWST/MIRI на 7.7 мкм зорнага кантынууму і выпраменьванне туманнасці ў галактыцы пры z>14. Прэпрынт у axRiv. Прадстаўлена 28 мая 2024 г. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462 

3. Касмічны тэлескоп NASA Джэймса Уэба. Першыя моманты - Касмічны тэлескоп Джэймса Уэба НАСА знайшоў самую далёкую галактыку з вядомых. Апублікавана 30 мая 2024 г. Даступна па адрасе https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy 

***