Кислород помог подтвердить красное смещение и условия формирования древнейшей известной галактики

После Большого взрыва во Вселенной успели образоваться лишь самые легкие молекулы, прежде чем она достаточно остыла. Кислород в их число не входил — над его формированием потрудилось первое поколение звезд.

Наличие яркой эмиссионной линии дважды ионизированного кислорода при большом красном смещении ([O III]-88мкм) — показатель присутствия облаков газа, ионизированных молодыми звездами, излучение которых «выбило» электроны из молекул кислорода. Ее также связывают с низкой металличностью объектов. Именно такие физические условия должны быть в самых ранних галактиках. К сожалению, поиски заветной линии в древних объектах с помощью радиообсерватории ALMA не давали однозначных результатов — до изучения галактики JADES-GS-z14-0 (GS-z14).

GS-z14 была одним из кандидатов в древнейшие галактики, открытых в рамках обзоров в 2023 году. С последующими наблюдениями ученые подтвердили, что это действительно древнейшая галактика из известных на сегодня. Мы видим ее такой, какой она была примерно через 300 миллионов лет после Большого взрыва. Тем не менее точное красное смещение определить не удалось. Разные показатели давали разные результаты.

Недавно ученые представили исследование GS-z14 по данным с инструментов космического телескопа «Джеймс Уэбб». Применив компьютерное моделирование, они оценили массу звезд, скорость их формирования и подтвердили наличие в галактике значительного количества кислорода.

В двух новых статьях две независимые группы исследователей описали GS-z14 по данным радиообсерватории ALMA. Работа с анализом истории и условий в древней галактике опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics, а более подробный разбор значимости линии кислорода — в журнале The Astrophysical Journal.

«Можно считать, мы нашли подростка там, где ожидали увидеть лишь малышей. Согласно результатам, эта галактика не только быстро сформировалась, но и быстро повзрослела, что подкрепляет базу свидетельств того, что формирование галактик протекает гораздо быстрее, чем ожидалось», — объяснил Сандер Схауз (Sander Schouws), главный автор второй работы, исследователь из Лейденской обсерватории.

В древнейшей галактике оказалось примерно в 10 раз больше тяжелых элементов, чем ожидали увидеть ученые. По линии кислорода уточнили красное смещение галактики — примерно 14,18, что совпадает с оценкой по линии углерода, в обнаружении которой исследователи пока не уверены.

Предыдущие оценки красного смещения GS-z14 варьировались от 14,12 до 14,4, но обычно при упоминании объекта указывали красное смещение в 14,32, которое вычислили по линии водорода. Такое расхождение можно объяснить наличием большого скопления газа вокруг GS-z14, влияющего на показатели водорода. Раз есть газ, значит, древняя галактика все еще формируется и разрастается.

По показателям скорости звездообразования — примерно 25 солнечных масс в год — и линии кислорода древняя GS-z14 похожа на современные карликовые галактики. Также авторы новых статей выдвинули предположение, что молодые светила в GS-z14 активно «выдувают» газ из межзвездного пространства.

«Наблюдения с помощью ALMA позволили уверенно вычислить расстояние до галактики с точностью до 0,005 процента. Такой уровень точности, сравнимый с отклонением до пяти сантиметров при расстоянии в один километр, помогает нам лучше разбираться в параметрах далеких галактик», — объяснила Элеонора Парлати, один из авторов исследования, опубликованного в Astronomy & Astrophysics.

Как показало исследование, для описания древних галактик необходимы наблюдения с разных инструментов в разных диапазонах волн. Благодаря линии кислорода авторы смогли уточнить расстояние и условия внутри галактики. Они выдвинули логичные предположения о выдувании газа из межзвездного пространства и наличии облака газа вокруг галактики, но для их подтверждения нужны новые данные.

Кстати, ученым совсем не удалось определить содержание пыли в GS-z14. В общем, требуются более продолжительные и глубокие наблюдения за древнейшей из известных галактик.