Почему юные галактики растут скачками и сверкают никелем
Группа астрофизиков под руководством Северо-Западного университета проанализировала первые результаты исследования, получившего название CECILIA (Chemical Evolution Constrained using Ionized Lines in Interstellar Aurorae) Это программа использует космический телескоп NASA James Webb Space Telescope (JWST) для изучения химического состава далеких галактик.
Согласно полученным результатам, так называемые «галактики-подростки», сформировавшиеся через 2-3 млрд лет после Большого взрыва, необычайно горячи и содержат неожиданные элементы, такие как никель, которые трудно наблюдать.
Исследование под названием «CECILIA: слабый спектр эмиссионных линий звездообразующих галактик z~2-3» - первое из серии предстоящих исследований в рамках программы CECILIA.
«Мы пытаемся понять, как галактики росли и изменялись на протяжении 13 млрд лет космической истории», — говорит Эллисон Стром, руководитель исследования. — «Используя JWST, наша программа нацелилась на галактики-подростки, на тот период их развития, когда они переживали бурный рост. Люди часто получают главный опыт в юном возрасте, который определяет их траекторию во взрослой жизни. С галактиками происходит то же самое».
«Химическая ДНК» галактик
Названный в честь Сесилии Пейн-Гапошкин, одной из первых женщин, получивших докторскую степень по астрономии, проект CECILIA занимается наблюдением спектров (интенсиностью излучения в различных диапазонах длин волн) далеких галактик. Стром называет спектры галактик с их «химической ДНК». Изучая эту ДНК в «подростковом» возрасте галактики, исследователи могут понять, как она будет развиваться, превращаясь в более зрелую галактику.
Например, астрофизики до сих пор не могут понять, почему некоторые галактики кажутся «красными и мертвыми», а другие, как наш Млечный Путь, продолжают формировать звезды. Спектр галактики позволяет выявить ее ключевые элементы, такие как кислород и сера, которые дают представление о том, как галактика развивалась и что будет с ней в дальнейшем.
Стром и ее коллеги использовали JWST для непрерывного 30-часового наблюдения 33 далеких галактик-подростков летом прошлого года. Затем они объединили спектры 23 из этих галактик для получения композитного изображения.
«Это позволяет размыть детали отдельных галактик и дает нам представление о средней галактике. Это также позволяет нам увидеть более слабые особенности», — говорит Стром. — «Этот спектр значительно глубже и детальнее, чем любой спектр, который мы могли бы собрать с помощью наземных телескопов для галактик этого периода истории Вселенной».
Сюрпризы спектра
Сверхглубокий спектр позволил обнаружить восемь отдельных элементов: Водород, гелий, азот, кислород, кремний, сера, аргон и никель. Все элементы, которые тяжелее водорода и гелия, образуются внутри звезд. Таким образом, присутствие определенных элементов дает информацию о звездообразовании на протяжении всей эволюции галактики.
Стром ожидала увидеть более легкие элементы, но присутствие никеля ее удивило. Более тяжелый, чем железо, никель встречается редко, и наблюдать его невероятно сложно.
«Я и представить себе не могла, что мы увидим никель», — говорит Стром. - «Даже в близких галактиках астрономы его не наблюдают. Для того чтобы наблюдать элемент в галактике, необходимо, чтобы он присутствовал в достаточном количестве и чтобы были подходящие условия. Элементы должны светиться в газообразном состоянии, чтобы мы могли их увидеть. Значит, для того чтобы мы увидели никель, в галактиках должно быть что-то уникальное».
Горячая юность
Галактики-подростки оказались чрезвычайно горячими. Изучая спектры, физики могут рассчитать температуру галактики. В то время как температура самых горячих «взрослых» галактик может превышать 9700° С, температура галактик-подростков превышает 13 350° С.
«Это лишь дополнительное свидетельство того, насколько разными могли быть галактики, когда они молоды», — говорит Стром. — «В конечном счете, тот факт, что мы видим более высокую характерную температуру, является лишь еще одним проявлением их различной химической ДНК, поскольку температура и химический состав газа в галактиках неразрывно связаны между собой».