Благодаря наблюдениям, проведённым космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST), появились доказательства существования звёзд первого поколения во Вселенной. Доказательство находится в одной из самых далёких известных галактик.
Галактика, получившая обозначение GN-z11, была открыта космическим телескопом «Хаббл» в 2015 году и до запуска космического телескопа «Джеймс Уэбб» считалась самой далёкой из известных галактик. С красным смещением 10,6, более логично говорить о том, как давно она существовала, а не о том, насколько далеко она находится. Это потому, что мы видим GN-z11 такой, какой она была всего через 430 миллионов лет после Большого взрыва, из-за времени, которое потребовалось её свету, чтобы добраться до нашего уголка космоса. Для сравнения, сегодняшняя Вселенная имеет возраст 13,8 миллиарда лет.
Таким образом, GN-z11 была главной целью для изучения JWST. Теперь две новые статьи описывают глубокие открытия, касающиеся GN-z11, которые раскрывают жизненно важные детали о том, как галактики, существовавшие в ранней Вселенной, могли расти.
GN-z11 — самая яркая из известных галактик с этим конкретным красным смещением, и действительно, это стало общей темой для галактик с большим красным смещением, которые теперь почти регулярно обнаруживаются JWST в ранней Вселенной. Многие из них кажутся намного ярче, чем предсказывают наши модели формирования галактик. Эти прогнозы основаны на стандартной модели космологии.
Теперь же новые наблюдения JWST, похоже, пролили свет на то, что происходит.
Астрономическая группа, возглавляемая Роберто Майолино (Roberto Maiolino) из Кембриджского университета, исследовала GN-z11 с помощью двух приборов ближнего инфракрасного диапазона JWST, камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и спектрометра ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec). Исследователи обнаружили свидетельства существования звёзд первого поколения, называемых звёздами Population III/Популяции III, а также сверхмассивной чёрной дыры, поглощающей огромное количество материи и растущей чрезвычайно ускоренными темпами.
Учёные могут рассчитать возраст звезды, основываясь на содержании в ней тяжёлых элементов, которые образовались благодаря предыдущим поколениям звёзд, которые жили и умирали, извергая эти тяжёлые элементы в космос, где они в конечном итоге перерабатываются в областях звёздообразования для формирования новых звёздных тел. Самые молодые звёзды, сформировавшиеся за последние пять или шесть миллиардов лет, называются звёздами Популяции I и содержат наибольшее количество тяжёлых элементов. К звёздам Популяции I, например, относится наше Солнце. Старые звёзды содержат меньше тяжёлых элементов, потому что до них было меньше поколений звёзд. Мы называем эти звёзды звёздами Популяции II, и они обитают в самых старых областях нашей галактики Млечный Путь.
Однако звёзды Популяции III до сих пор были чисто гипотетическими.
Это были первые звёзды, которые образовались, и, поскольку до них не было других звёзд, они не содержали тяжёлых элементов и состояли только из чистого водорода и гелия, образовавшихся во время Большого взрыва. Считается, что эти первые звёзды были чрезвычайно яркими и имели массу, равную по крайней мере нескольким сотням солнц.
И хотя астрономы до сих пор не видели звёзды Популяции III, команда Майолино обнаружила косвенные доказательства их существования в GN-z11. NIRSpec запечатлел сгусток ионизированного гелия возле края GN-z11.
«Тот факт, что мы больше ничего не видим, кроме гелия, наводит на мысль, что это скопление должно быть довольно нетронутым, — сказал Майолино в своём заявлении. — Это то, чего ожидали теория и моделирование вблизи особенно массивных галактик этих эпох — в гало должны были существовать карманы первозданного газа, и они могут коллапсировать и образовывать звёзды Популяции III.»
Этот газообразный гелий ионизируется чем-то, что производит огромное количество ультрафиолетового света, и это нечто, предполагаемое как звёзды Популяции III. Потенциально наблюдаемый гелий является остатком материала от формирования этих звёзд. Количество ультрафиолетового света, необходимое для ионизации всего этого газа, требует в общей сложности около 600 тыс. солнечных масс звёзд, сияющих с общей яркостью в 20 триллионов раз ярче, чем наше Солнце. Эти цифры предполагают, что далёкие галактики, такие как GN-z11, были бы более склонны к образованию массивных звёзд, чем галактики в современной Вселенной.
Между тем, согласно второму набору результатов, команда Майолино также нашла доказательства существования в центре GN-z11 чёрной дыры с массой в два миллиона солнечных.
Команда также обнаружила мощный поток излучения, исходящий от аккреционного диска материи, вращающегося вокруг чёрной дыры, а также ионизированные химические элементы, обычно обнаруживаемые вблизи аккрецирующих чёрных дыр. По словам команды, это самая удалённая из обнаруженных на сегодняшний день сверхмассивных чёрных дыр, и её ненасытный аппетит приводит к тому, что её аккреционный диск становится плотным, горячим и ярко сияющим. Исследователи полагают, что это, в сочетании со звёздами Популяции III, заставляет GN-z11 сиять настолько ярко, не нарушая при этом стандартную космологию, как некоторые преждевременно утверждали.
Исследование скопления ионизированного гелия и звёзд Популяции III было принято к публикации в журнале Astronomy & Astrophysicals, тогда как препринт можно найти здесь. Между тем, исследование о наблюдениях чёрной дыры NIRCam было опубликовано 17 января в журнале Nature.
