Газ с этими элементами зафиксирован движущимся прочь от галактик — обогащение межгалактической среды шло значительно раньше, чем предполагали стандартные модели химической эволюции. Результаты опубликованы 24 сентября в Nature Astronomy.
Метод и результаты
Команда под руководством Юнда Чжу из Университета Аризоны использовала три далёкие галактики в качестве фоновых источников. Свет от них шёл до Земли более 13 миллиардов лет, фиксируя состояние Вселенной при возрасте около 3% от текущего — эпоха реионизации, когда излучение первых звёзд начало ионизировать нейтральный водород и делать космос прозрачным для электромагнитного излучения. Каждый химический элемент поглощает свет на характерных длинах волн, поэтому спектроскопия поглощения позволяет напрямую определить состав газа между галактикой и наблюдателем. Общее время экспозиции JWST составило около 30 часов; чувствительность, достаточная для выделения слабых линий, была недоступна предыдущим инструментам, включая «Хаббл».
В газовом потоке от каждой из трёх галактик обнаружены кислород, углерод и кремний — элементы тяжелее гелия, которые в астрофизике собирательно называют «металлами». Их единственный источник — термоядерные реакции в недрах звёзд первого поколения. Химические сигнатуры обнаруженного газа ближе к составу современных галактик, чем к первичной водородно-гелиевой плазме. Измеренные скорости потока указывают на активный выброс: галактики не просто синтезировали элементы внутри себя, а возвращали их в межгалактическое пространство в режиме галактического ветра.
Следствие для моделей POP III
Стандартная модель предсказывает существование звёзд населения III — самых первых, сформировавшихся из чистого водорода и гелия. Их искали десятилетиями и не обнаружили. Новый результат даёт возможное объяснение: прайм-газ, необходимый для их формирования, был исчерпан значительно раньше расчётного горизонта. Если тяжёлые элементы распространялись по Вселенной с такой скоростью, то подходящих условий для формирования POP III к моменту наблюдения — 500 миллионов лет после Большого взрыва — уже не осталось. Это смещает временные рамки химической эволюции и требует пересмотра параметров моделей нуклеосинтеза в ранних галактиках.
Что остаётся неизвестным
Выборка ограничена тремя объектами. Масса выброшенного газа, его доля от общей массы галактики, длительность процесса обогащения и его распространённость в популяции ранних галактик пока не определены количественно. Для статистически значимой картины потребуются дополнительные циклы наблюдений JWST и, вероятно, данные будущих инструментов дальнего инфракрасного диапазона.