Астрономы, возможно, нашли объяснение одной из самых больших загадок, обнаруженных космическим телескопом «Джеймс Уэбб». Речь идет о необычайно ярких галактиках ранней Вселенной, которые излучают гораздо больше ультрафиолетового света, чем предсказывали существующие модели. Новое исследование предполагает, что причиной этого феномена могла стать особая космическая пыль, образовавшаяся после взрывов сверхновых.
Когда «Джеймс Уэбб» начал наблюдать самые ранние эпохи существования Вселенной, ученые ожидали увидеть далекие галактики тусклыми и скрытыми за плотными облаками пыли. Однако результаты оказались неожиданными. Многие галактики, существовавшие менее чем через 550 миллионов лет после Большого взрыва, оказались чрезвычайно яркими в ультрафиолетовом диапазоне. Их светимость значительно превышала прогнозы теоретических моделей.
Согласно стандартным представлениям, молодые галактики с активным звездообразованием должны быть окутаны большим количеством пыли. Такая пыль эффективно поглощает ультрафиолетовое излучение и не дает ему свободно покидать галактику. Этот эффект астрономы называют ослаблением или затуханием излучения. Если же пыли мало или она плохо поглощает ультрафиолет, галактика выглядит намного ярче.
После первых наблюдений «Джеймса Уэбба» ученые предложили несколько возможных объяснений этого феномена. Среди них рассматривались чрезвычайно бурные вспышки звездообразования, необычно эффективное формирование звезд, скрытые черные дыры, а также необычные свойства самой пыли в ранних галактиках. Со временем именно версия с необычной пылью начала привлекать наибольшее внимание исследователей, поскольку она лучше согласовывалась с наблюдениями и не требовала экзотической физики.
Ранее существовала гипотеза, что мощные звездные ветры и вспышки сверхновых просто выдували пыль из молодых галактик. Однако наблюдения, проведенные «Джеймсом Уэббом» и радиотелескопом ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), показали существование объектов, получивших название GALDAs — галактик с чрезвычайно слабым ослаблением пыли. При этом такие галактики оставались очень богатыми газом. В некоторых из них доля газа превышала 90%. Если бы пыль действительно была выброшена наружу мощными потоками вещества, вместе с ней должен был бы исчезнуть и газ. Это означало, что причина кроется в чем-то другом.
В современных галактиках большая часть пыли формируется постепенно. Мелкие пылевые частицы на протяжении миллиардов лет накапливают тяжелые элементы из окружающего газа. Но в ранней Вселенной на подобные процессы просто не было времени. Поэтому главным источником пыли тогда должны были стать сверхновые — взрывы массивных звезд.
Однако пыль, рожденная в сверхновых, подвергается серьезным изменениям. После взрыва через выброшенное вещество проходит так называемая обратная ударная волна. Она разрушает самые маленькие пылевые частицы и значительно уменьшает общую массу пыли. В результате выживают в основном крупные зерна, которые гораздо хуже поглощают ультрафиолетовое излучение и остаются относительно «прозрачными» для него.
Авторы новой работы под руководством Д. Бургареллы из Лаборатории астрофизики Марселя решили подробнее изучить роль такой пыли в ранних галактиках. Исследователи сосредоточились на непрозрачности пыли — способности блокировать свет. Они создали модель, которая объединяет три ключевых фактора: известные оптические свойства пыли сверхновых, зависимость непрозрачности от содержания тяжелых элементов в галактике и пространственное распределение звезд и пылевых облаков внутри галактик.
Когда ученые применили эту модель к компьютерным симуляциям популяций галактик, результаты хорошо совпали с тем, что наблюдает «Джеймс Уэбб». При этом исследователям не понадобилось вводить необычные механизмы звездообразования или экзотические свойства звезд. Модель также естественным образом объяснила существование GALDAs в ранней Вселенной и их редкость в современной эпохе.
Согласно расчетам, низкое ослабление ультрафиолета связано с тем, что пыль сверхновых состоит преимущественно из крупных зерен и распределена внутри галактик неравномерно, образуя своеобразную пористую структуру. Свет способен проходить через промежутки между облаками пыли, благодаря чему галактики кажутся необычайно яркими.
Исследование также указывает на существование переходного режима формирования пыли. Пока содержание тяжелых элементов в галактике остается ниже примерно одной десятой солнечного уровня, доминирует пыль сверхновых и затухание света остается слабым. Когда металличность становится выше, начинает преобладать обычный рост пылевых зерен в межзвездной среде, а поглощение ультрафиолета усиливается. Теоретически такой переход предсказывался давно, однако галактики, обнаруженные «Джеймсом Уэббом», могут быть первым прямым подтверждением этого процесса в ранней Вселенной.
Особый интерес представляют самые бедные тяжелыми элементами галактики из выборки. Исследователи предполагают, что их пыль может быть прямым наследием звезд населения III — самых первых звезд Вселенной, состоявших почти исключительно из водорода и гелия. Такие звезды до сих пор не наблюдались напрямую. Однако их сверхновые могли производить именно ту крупнозернистую и слабо поглощающую пыль, которая необходима для объяснения наблюдений «Джеймса Уэбба». Следы этой древней пыли потенциально можно обнаружить по особенностям ослабления света, химическому составу галактик и их инфракрасному излучению.
Авторы подчеркивают, что делать окончательные выводы пока рано. Хотя предложенная модель хорошо согласуется с наблюдаемой популяцией галактик, свойства пыли сверхновых в ранней Вселенной все еще остаются недостаточно изученными. Исследователи отмечают, что состав и характеристики пылевых зерен могли заметно различаться от галактики к галактике. В будущем уточнить эти параметры помогут новые наблюдения с использованием инфракрасных инструментов «Джеймса Уэбба» и радиотелескопа ALMA.