До появления космического телескопа «Джеймс Уэбб» учёные считали раннюю Вселенную свободной от тяжёлых элементов, ожидая увидеть там преимущественно водород и гелий. С появлением «Уэбба» многочисленные галактики неожиданно были обнаружены уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, что стало сюрпризом. Но появление в ту же эпоху элементов тяжелее водорода и гелия — это ещё одно открытие, пошатнувшее современную космологию.
Источник изображения: Yongda Zhu/University of Arizona
О наблюдении сообщила группа учёных Университета штата Аризона (University of Arizona). Среди массива собранных «Уэббом» за 30-часовой сеанс наблюдений данных обнаружены три галактики в период, когда Вселенной было около 500 млн лет (при красном смещении z = 7,2–9,3). В эту эпоху Вселенная ещё находилась в процессе реионизации, а её вещество в основном состояло из первичного водорода и гелия. Однако спектроскопические данные «Уэбба» указали, что вокруг некоторых из этих галактик уже присутствовал газ, содержащий элементы, синтезированные внутри звёзд. В частности, речь идёт о кислороде и углероде, которые относятся к тяжёлым элементам.
Для обнаружения химического состава исследователи использовали не собственное излучение межгалактического газа, а галактики в качестве своеобразных фоновых источников. Свет от них проходил через окружающий газ, и находящиеся в нём атомы поглощали излучение на характерных длинах волн. Спектрограф NIRSpec на борту «Уэбба» зарегистрировал линии поглощения нейтрального и ионизированного кислорода, углерода и кремния. Особенно важным оказалось их смещение относительно системной скорости галактик: линии преимущественно были сдвинуты в синюю сторону, что означало движение обогащённого этими элементами газа наружу со скоростями порядка 50–250 км/с. Иначе говоря, тяжёлые элементы летели прочь от галактики, обогащая Вселенную.
Полученная картина свидетельствует о том, что уже в первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва в галактиках работал механизм, известный как барионный цикл — постоянный обмен веществом между галактикой и окружающей средой. Первые поколения массивных звёзд быстро синтезировали углерод, кислород и другие элементы, после чего звёздные ветры и взрывы сверхновых могли выбрасывать обогащённый газ за пределы галактик. При этом химический «отпечаток» ранних галактик оказался похож на характерный для значительно более зрелых галактик, что говорит о быстром формировании полноценного цикла круговорота вещества.
Результат важен и для поиска гипотетических звёзд населения III — первого поколения звёзд, сформировавшихся практически из чистого водорода и гелия. Если уже через 500 млн лет после Большого взрыва галактики активно выбрасывали тяжёлые элементы в окружающее пространство, девственно чистого первичного газа могло оставаться гораздо меньше, чем предполагали модели. Это не означает, что звёзды населения III почти гарантированно исчезли к этому времени, но проделанные наблюдения существенно меняют условия их поиска: даже на очень ранней стадии космической истории химическое обогащение и перераспределение вещества могли идти чрезвычайно быстро, и найти неуловимые первые звёзды в нашей Вселенной будет намного труднее, чем представлялось.