Астрономы во главе с Эдуардо Баньядосом из Института астрономии им. Макса Планка обнаружили газовое облако, содержащее информацию о ранней фазе галактики и звездообразования, всего через 850 миллионов лет после Большого взрыва. Облако было случайно обнаружено во время наблюдений за далеким квазаром, и оно обладает свойствами, которые астрономы ожидают от предшественников современных карликовых галактик. Когда речь идет об относительном изобилии, химия облаков удивительно современна, показывая, что первые звезды во вселенной, должно быть, образовались очень быстро после Большого взрыва. Результаты были опубликованы в Astrophysical Journal.
Когда астрономы смотрят на отдаленные объекты, они обязательно оглядываются назад во времени. Облако газа обнаруженное Баньядосом настолько далеко, что его свету потребовалось почти 13 миллиардов лет, чтобы добраться до нас; и наоборот, свет, достигающий нас, теперь говорит нам о том, как газовое облако выглядело почти 13 миллиардов лет назад, не более, чем через 850 миллионов лет после Большого взрыва. Для астрономов это чрезвычайно интересная эпоха. В течение первых нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва образовались первые звезды и галактики, но детали этой сложной эволюции все еще в значительной степени неизвестны.
Это очень далекое газовое облако было случайным открытием. Баньядос, работавший в то время в Институте Карнеги и его коллеги изучали несколько квазаров в ходе исследования 15 самых отдаленных известных квазаров (z³6.5). Список квазаров был подготовлен Кьярой Маццучелли в рамках ее докторской диссертации в Институте астрономии Макса Планка. Сначала исследователи просто отметили, что квазар P183+05 имел довольно необычный спектр. Но когда Баньядос проанализировал более детальный спектр, полученный с помощью Магеллановых телескопов в Обсерватории Лас-Кампанас в Чили, он понял, что происходит что-то еще: странные спектральные особенности были следами газового облака, которое было очень близко к далекому квазару - одному из самых отдаленных газовых облаков, которые астрономы до сих пор смогли идентифицировать.
Освещенный далеким квазаром
Квазары - это чрезвычайно яркие активные ядра далеких галактик. Движущей силой их светимости является Центральная сверхмассивная черная дыра галактики. Материя, вращающаяся вокруг этой черной дыры (прежде чем упасть в нее), нагревается до температур, достигающих сотен тысяч градусов, испуская огромное количество излучения. Это позволяет астрономам использовать квазары в качестве фоновых источников для обнаружения поглощения водорода и других химических элементов: если газовое облако находится непосредственно между наблюдателем и удаленным квазаром, часть света квазара будет поглощена.
Астрономы могут обнаружить это поглощение, изучая спектр квазара, то есть разложение света квазара на различные области длин волн. Картина поглощения содержит информацию о химическом составе газового облака, температуре, плотности и даже о расстоянии облака от нас (и от квазара). За этим стоит тот факт, что каждый химический элемент имеет "отпечаток" спектральных линий - узкую область длин волн, в которой атомы этого элемента могут излучать или поглощать свет особенно хорошо. Наличие характерного отпечатка пальца свидетельствует о наличии и обилии определенного химического элемента.
Не совсем то облако, которое они искали
По спектру газового облака исследователи сразу же определили расстояние до него и поняли, что они смотрят назад, в первый миллиард лет космической истории. Они также обнаружили следы нескольких химических элементов, включая углерод, кислород, железо и магний. Однако количество этих элементов было ничтожно малым, примерно в 1/800 раз превышая их количество в атмосфере нашего Солнца. Астрономы обобщенно называют все элементы тяжелее гелия "металлами"; это измерение делает газовое облако одной из самых бедных металлами систем, известных во Вселенной. Майкл Раух из Института науки Карнеги, который является соавтором нового исследования, говорит: "после того, как мы убедились, что смотрим на такой первозданный газ только через 850 миллионов лет после Большого Взрыва, мы начали задаваться вопросом, может ли эта система все еще сохранять химические сигнатуры, произведенные самым первым поколением звезд".
Обнаружение этих звезд первого поколения, так называемых "популяций III", является одной из важнейших задач в реконструкции истории Вселенной. В более поздней Вселенной химические элементы тяжелее водорода играют важную роль в коллапсе газовых облаков с образованием звезд. Но эти химические элементы, особенно углерод, сами производятся в звездах и выбрасываются в космос при взрывах сверхновых. Для первых звезд этих химических посредников просто не было бы, поскольку непосредственно после фазы Большого взрыва существовали только атомы водорода и гелия. Именно это делает первые звезды принципиально отличными от всех более поздних звезд.
Анализ показал, что химический состав облака не был химически примитивным, но вместо этого относительное содержание было удивительно похоже на химическое содержание, наблюдаемое в современных межгалактических газовых облаках. Соотношения обилия более тяжелых элементов были очень близки к соотношениям в современной Вселенной. Тот факт, что это газовое облако в очень ранней Вселенной уже содержит металлы с современным относительным химическим содержанием, ставит ключевые проблемы для формирования первого поколения звезд.
Так много звезд, так мало времени
Это исследование предполагает, что образование первых звезд в этой системе должно было начаться гораздо раньше: химические выходы, ожидаемые от первых звезд, уже были стерты взрывами по крайней мере еще одного поколения звезд. Особое ограничение по времени связано со сверхновыми типа Ia, космическими взрывами, которые необходимы для получения металлов. Для возникновения таких сверхновых обычно требуется около 1 миллиарда лет, что серьезно ограничивает любые сценарии формирования первых звезд.
Теперь, когда астрономы обнаружили это очень раннее облако, они систематически ищут дополнительные примеры. Эдуардо Баньядос говорит: "удивительно, что мы можем измерить металлоемкость и химическое изобилие в ранней истории Вселенной, но если мы хотим идентифицировать сигнатуры первых звезд, нам нужно исследовать более ранние моменты космической истории. Я с оптимизмом смотрю на то, что мы найдем еще более далекие газовые облака, которые могли бы помочь нам понять, как родились первые звезды".
Описанные здесь результаты были опубликованы в работе Баньядоса «Система с недостаточным содержанием металла и демпфированием Lyα при красном смещении 6.4», в Astrophysical Journal.
По информации https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20191101203514
