З початком повноцінної наукової роботи цей телескоп дав астрономам змогу вивчати галактики, що існували понад 13 мільярдів років тому. Цей часовий проміжок, відомий як «Космічні темні віки», охоплює період від приблизно 200 мільйонів до 1 мільярда років після Великого вибуху, коли зароджувалися перші зорі та галактики.
На жаль, світло з цих епох було «приховане» реліктовим випромінюванням, що утворилося внаслідок Великого вибуху (космічний мікрохвильовий фон, CMB), і фотонами, які з’явилися під час реіонізації нейтрального водню зоряним випромінюванням. Попередні телескопи, як-от «Габбл» та «Спітцер», через їх обмежену інфрачервону чутливість не могли належним чином зазирнути в цей ранній період історії Всесвіту. Однак «Вебб» завдяки вдосконаленим інфрачервоним інструментам, коронографам і спеціальному тепловому екрану нарешті зміг відкрити завісу над «темними віками».
Нові межі спостережень
Міжнародна група науковців у нещодавньому дослідженні проаналізувала архівні дані «Вебба» в пошуках галактик, які з’явилися лише через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху. Цим дослідникам вдалося підштовхнути можливості телескопа до максимальних меж, намагаючись виявити об’єкти на зламі формування перших зоряних систем.
Очолював роботу Марко Кастеллано з Астрономічної обсерваторії Національного інституту астрофізики в Римі (INAF-OAR). До нього приєдналися фахівці з INAF, NOIRLab, Андалузького астрономічного інституту (IAA-CSIC), Гарвардського й Смітсонівського центрів астрофізики (CfA), STScI, Центру космічних польотів імені Годдарда та численних інших установ.
Від старту місії «Вебб» спостерігав галактики, що сформувалися ще понад 13 мільярдів років тому. Зображення деяких із них оприлюднили в рамках «Ранніх спостережень Вебба» (ERO). На цих кадрах було помічено «маленькі червоні цятки», які виявилися віддаленими й активними галактичними ядрами – квазарами.
«Маленькі червоні цятки»: нові відкриття
До появи «Вебба» астрономам вдалося розпізнавати галактики на червоному зміщенні до приблизно z ~ 10 (близько 500 мільйонів років після Великого вибуху) завдяки «Габблу» та «Спітцеру», але їхня чутливість була далеко не такою високою. Тепер же потужність телескопа «Вебб» відкрила цілковито нові горизонти для вивчення формування і ранньої еволюції галактик.
За словами Кастеллано, у листуванні з Universe Today, завдяки «Веббу» вдалося не тільки відшукати десятки джерел із високими червоними зміщеннями (аж до z ~ 14,2), а й докладно дослідити їхній фізичний склад, зокрема й хімічні характеристики газу. Серед усіх нових результатів особливо цікавими є два: велика кількість доволі яскравих галактик у період 500–300 мільйонів років після Великого вибуху і несподівано велика кількість слабких активних ядер (AGN) протягом першого мільярда років існування Всесвіту.
Виявлена численність цих ранніх галактик та їхня яскравість стали доволі несподіваними для астрономів: ці результати не узгоджуються з усталеними космологічними моделями. Крім того, були помічені надмасивні чорні діри, які теж виникли швидше, ніж передбачалося раніше. Згідно з теорією, після Великого вибуху минуло надто мало часу, щоби галактики ставали такими яскравими, а чорні діри встигали набувати надмасивних розмірів.
Загадка «надлишкової» яскравості
Питання про те, яким чином у Всесвіті з’явилося так багато яскравих галактик, є однією з головних проблем, які намагається розв’язати робота Кастеллано. Із перших спостережень «Вебба» було зрозуміло, що галактики на червоному зміщенні z > 9 виявляються яскравішими в ультрафіолетовому діапазоні, ніж припускали моделі та попередні дані.
За останні кілька років науковці висловили різні гіпотези: від дуже низького вмісту пилу чи високої ефективності зореутворення до домінування випромінювання бідних на метали зір або ж наявності акреції на надмасивні чорні діри. Усі ці моделі намагаються пояснити, як могли утворюватися та «розквітати» настільки яскраві об’єкти.
Саме тому відшукування галактик на ще вищих червоних зміщеннях (понад ті, що вивчалися дотепер) важливе для перевірки цих теоретичних побудов.
Пошук у архівних даних
У новому дослідженні команда Кастеллано використала фотометричні вимірювання з «Вебба» та «Габбла» з каталогів ASTRODEEP-JWST і проаналізувала сім великих оглядів, серед яких:
- Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS)
- поля GOODS-N і GOODS-S
- FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopic Complete Observations)
- NGDEEP (Next Generation Deep Extragalactic Exploratory Public)
- CANDELS
- GLASS-JWST
- та інші.
Метою було знайти в цих наборах даних потенційні галактики із червоним зміщенням z у діапазоні 15–30. Вчені звертали особливу увагу на аналіз форми спектрально-енергетичного розподілу та «розриви Лаймана», адже випромінювання від галактик із таким високим z майже повністю поглинається навколишнім нейтральним газом.
Як пояснює Кастеллано, виникло чимало труднощів. По-перше, настільки далекі об’єкти дуже слабкі і видимі лише в невеликій кількості фотометричних діапазонів. По-друге, є ризик «переплутати» далекі галактики з менш віддаленими, особливо якщо останні мають значно «почервонілий» спектр через пил або через старі зоряні популяції. Іноді їхній спектрально-енергетичний розподіл у наборі фільтрів виглядає майже так само, як у справжніх об’єктів із z > 15.
Перші результати та можливі «пастки»
Наразі астрономам відомо лише про кілька галактик на червоному зміщенні z > 15, попри те що ультрафіолетове випромінювання з цих галактик має бути в межах чутливості камери NIRCam телескопа «Вебб». Подолання позначки z = 15 критично важливе для розуміння того, як еволюціонували перші зоряні системи у Всесвіті.
Серед джерел, які команда виділила з даних ASTRODEEP-JWST, було 10 об’єктів, фотометрія яких узгоджується з перебуванням у межах z = 15–20. Проте цей перелік ще раз продемонстрував, наскільки складно впевнено підтвердити такі високі червоні зміщення: може виявитися, що це не настільки віддалені галактики, а «інтерлопери» – пилові об’єкти з сильними емісійними лініями чи дуже старими зоряними популяціями.
В одному з випадків уже вдалося провести додаткові спектральні спостереження за допомогою NIRSpec у межах проєкту CANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey (CAPERS): із’ясовалося, що цей об’єкт має червоне зміщення лише z = 6,56 (~13,2 мільярда років) і дуже сильно затемнений пилом. Однак інші галактики зі списку досі можуть бути розташовані на справді надзвичайно високому z.
Якщо хоча б частина з них справді перебуває на червоному зміщенні понад 15, це стане серйозним викликом для чинних космологічних моделей, адже доведеться пояснювати ще більшу кількість та яскравість ранніх галактик у період 200–300 мільйонів років після Великого вибуху.
Перспективи подальших досліджень
Значення цього дослідження стосується й галактик на трохи менших червоних зміщеннях (z = 4–7), бо вони теж можуть бути сповнені пилу й при цьому мати риси, що маскують їхнє справжнє розташування в часі. Подальше вивчення цих об’єктів розкриє більше деталей про еволюцію космічного ранку.
На переконання Кастеллано та його колег, спектроскопічні підтвердження кандидатів із понад z = 15 залишаються найважливішим завданням. Якщо виявиться, що їх справді так багато, наші уявлення про перші фази формування галактик зазнають перегляду. Якщо ж навпаки, усі вони виявляться «ближчими» пиловими галактиками, тоді науковцям відкриється маловідома популяція з проміжними червоними зміщеннями, якої раніше не вдавалося ідентифікувати. Будь-який із цих варіантів допоможе краще зрозуміти еволюцію Всесвіту.
Як підсумовує Кастеллано, ми лише починаємо осягати, як «Вебб» може допомогти у пошуку об’єктів, що існували через 100–200 мільйонів років після Великого вибуху. Цей виклик складний, але абсолютно реалістичний для нового телескопа. Препринт дослідження вже доступний онлайн і чекає на рецензування в журналі Astronomy & Astrophysics.