Международная группа астрономов под руководством Департамента астрономии Университета Цинхуа обнаружила необычайно бедную металлами галактику, которая может содержать признаки звездообразования первого поколения. Галактика, получившая название Металло-Первичная Галактика COSMOS Redshift 3 (MPG-CR3) или CR3, была идентифицирована с использованием данных наблюдений с космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), Очень большого телескопа (VLT) и телескопа Subaru.
Результаты исследования, опубликованные в The Astrophysical Journal Letters, описывают CR3 как самую бедную металлами галактику, известную из периода, называемого «космический полдень», который наступил около 11,5 миллиарда лет назад. Космический полдень — это период, когда Вселенная производила звезды с максимальной скоростью, а галактики бурно росли. В астрономии под «металлами» понимают все элементы тяжелее гелия, включая кислород, углерод и железо. Поскольку CR3 содержит так мало этих более тяжелых элементов, исследователи утверждают, что она очень похожа на то, как, по ожиданиям ученых, выглядели самые ранние галактики во Вселенной.
Это открытие имеет большое значение, поскольку оно может дать ключ к пониманию звезд Популяции III (Pop III) — первого поколения звезд, которые, как считается, сформировались после Большого взрыва. Предполагается, что эти звезды образовались из газа, состоящего почти полностью из водорода и гелия, до того, как более тяжелые элементы образовались внутри звезд и рассеялись по Вселенной посредством взрывов сверхновых. Именно поэтому CR3 называют «живым ископаемым».
Ученые давно полагали, что звезды Популяции III существовали только в самой ранней Вселенной. По мере формирования и гибели новых поколений звезд окружающий газ обогащался более тяжелыми элементами, делая условия, необходимые для звездообразования безметалловых звезд, все более редкими.
Из-за этого исследователи ожидали, что формирование таких звезд в значительной степени прекратилось после эпохи реионизации — периода, когда излучение первых звезд и галактик преобразовало нейтральный водород, заполнявший Вселенную, и сделало ее в значительной степени прозрачной для ультрафиолетового света. Галактика CR3, по-видимому, оспаривает эту идею.
Галактика наблюдалась с красным смещением z = 3,193 ± 0,016. Красное смещение измеряет, насколько свет от удаленного объекта был растянут по мере расширения Вселенной, и помогает астрономам определить, как далеко в прошлое они смотрят. В данном случае красное смещение соответствует примерно 11,5 миллиардам лет назад, в период космического полудня. Хотя к тому моменту Вселенная уже существовала несколько миллиардов лет, CR3 демонстрирует характеристики, более типичные для гораздо более ранних галактик.
Наблюдения выявили исключительно сильные эмиссии водорода и гелия, включая Lyα, Hα и He I λ10830. Lyα, или эмиссия Лайман-альфа, — это специфическая длина волны света, производимого водородом, которая широко используется для изучения далеких галактик. Эмиссия Hα — еще один водородный сигнал, обычно используемый для отслеживания активного звездообразования, в то время как He I λ10830 производится гелием и может указывать на присутствие очень горячих молодых звезд.
Измеренные эквивалентные ширины EW₀(Lyα) = 822 ± 101 Å и EW₀(Hα) = 2814 ± 327 Å являются одними из самых высоких, когда-либо наблюдавшихся в звездообразующих галактиках. Эквивалентная ширина — это мера интенсивности эмиссионной линии по отношению к окружающему свету, и такие большие значения обычно связаны с интенсивным и очень недавним звездообразованием.
В то же время исследователи не обнаружили статистически значимых следов эмиссионных линий металлов, включая [O III] λλ4959, 5007 и C IV λλ1548, 1550. Эмиссионные линии действуют как химические отпечатки пальцев, выявляющие, какие элементы присутствуют в галактике. Линии кислорода и углерода обычно наблюдаются в галактиках, которые уже претерпели значительное химическое обогащение. Их отсутствие в CR3 указывает на необычайно первичное окружение.
Используя методы калибровки распространенности, разработанные на основе наблюдений JWST, команда установила верхний предел в 2σ для металличности газа галактики на уровне 12+log(O/H)<6.52, что соответствует менее чем 0,7% металличности Солнца (Z < 7 × 10⁻³ Z⊙). Металличность газа измеряет распространенность тяжелых элементов в газе галактики. Верхний предел 2σ указывает на то, что истинное значение вряд ли превысит заявленный порог. Даже с учетом неопределенностей в методах калибровки, наиболее консервативный предел остается 12+log(O/H)<6.95, что делает CR3 самой бедной металлами галактикой, обнаруженной в космический полдень.
Галактика также, по-видимому, содержит очень мало пыли. Исследователи измерили отношение потоков Lyα/Hα, равное 13,9 ± 2,5, что свидетельствует о незначительном поглощении пылью, то есть очень малая часть света галактики поглощается или рассеивается космической пылью. Поскольку пыль обычно образуется более ранними поколениями звезд, этот результат дополнительно подтверждает идею о том, что CR3 испытала очень мало химического обогащения.
Дальнейший анализ с использованием моделирования спектральной энергетической кривой — метода, который сравнивает наблюдаемый свет с теоретическими моделями, — предполагает, что CR3 содержит чрезвычайно молодое звездное население возрастом всего около 2 миллионов лет. Моделирование, в котором использовались шаблоны звезд Популяции III, также указывает на то, что звездная масса галактики составляет приблизительно 6,1 × 10⁵ M⊙. Символ M⊙ обозначает одну солнечную массу, то есть массу Солнца.
Один из ключевых вопросов, возникающих в связи с этим открытием, заключается в том, как могла существовать столь химически примитивная галактика во Вселенной, которая уже миллиарды лет производила более тяжелые элементы.
Чтобы исследовать это, исследователи изучили окружение CR3. Их анализ предполагает, что галактика может находиться в несколько недонасыщенной среде с контрастом плотности примерно δ ≈ −0,12. Недонасыщенная область содержит меньше материи и меньше галактик, чем в среднем.
Команда предполагает, что эта относительная изоляция могла помочь сохранить карманы первичного газа. Металлобогатый материал, выброшенный из соседних галактик, мог никогда не достичь CR3, в то время как более низкий темп слияний и взаимодействий галактик мог замедлить смешивание обогащенного газа в системе.
Если будущие наблюдения подтвердят эти выводы, CR3 может предоставить одно из самых веских доказательств того, что звездообразование первого поколения продолжалось и после эпохи реионизации. Такой результат оспорил бы общепринятое мнение о том, что первичное звездообразование прекратилось к z ≳ 6, и предположил бы, что небольшие карманы безметаллового газа сохранились гораздо дольше, чем считалось ранее.
Исследователи подчеркивают, что для определения истинной природы галактики потребуются дополнительные наблюдения. Будущие спектроскопические исследования с более высоким разрешением и лучшим качеством сигнала могут помочь подтвердить, действительно ли CR3 является местом звездообразования Популяции III. Ожидается, что это открытие также послужит стимулом для поиска других подобных галактик, что может помочь астрономам лучше понять, как формировались первые звезды и как эволюционировали галактики в ранней Вселенной.
Источник: Университет Цинхуа, IOPscience
Эта статья была сгенерирована с помощью ИИ и отредактирована. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного освещения. Добросовестное использование — это использование, разрешенное статутом об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать права.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
