Галактики начали выбрасывать кислород и углерод раньше, чем считалось

Астрономы из Университета Аризоны под руководством Йонгда Чжу сделали открытие, которое меняет представления о ранней Вселенной: всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва галактики уже выбрасывали в космос тяжелые элементы, такие как кислород, углерод и кремний. Исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, показало, что химическое обогащение межгалактического пространства началось гораздо раньше, чем считалось, и это может объяснить, почему астрономам до сих пор не удается найти самые первые звезды Вселенной.

Когда мы смотрим на ночное небо, мы видим результат миллиардов лет космической эволюции. Но что происходило в самом начале, когда Вселенная была еще молодой? Новое исследование приоткрывает завесу над этой эпохой, показывая, что ранние галактики были не пассивными островками в океане первобытного газа, а активными «фабриками», которые производили и распространяли сложные элементы.

Исследователи изучили галактики, свет от которых шел до нас более 13 миллиардов лет. Мы видим их такими, какими они были примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва, это лишь около 3 процентов от нынешнего возраста Вселенной. В то время космос только начинал выходить из «темных веков», а процесс реионизации, когда ультрафиолетовое излучение первых звезд отрывало электроны от ядер водорода, был в самом разгаре.

Используя космический телескоп Джеймс Уэбб, ученые получили спектры этих древних галактик. Почти 30 часов экспозиции понадобилось, чтобы уловить слабые следы поглощения света различными элементами. Астрономы просмотрели данные сотен галактик и нашли три, в спектрах которых отчетливо видны линии углерода, кислорода и кремния.

Самое интересное заключалось в том, что эти линии были смещены в синюю сторону относительно общего красного смещения галактик. Это означает, что газ двигался не к нам и не стоял на месте, а удалялся от галактик, то есть тяжелые элементы буквально вылетали из них в окружающее пространство.

Раньше считалось, что в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва космос был заполнен почти исключительно водородом и гелием — самыми простыми элементами. Тяжелые элементы, такие как углерод и кислород, должны были появиться позже, после того как первые звезды прожили свою жизнь и взорвались как сверхновые. Но новые данные показывают, что этот процесс шел гораздо быстрее.

Химический состав этих молодых галактик оказался удивительно похож на состав галактик, которые существовали миллиарды лет спустя. Это значит, что уже на заре космической истории галактики не только производили тяжелые элементы, но и активно делились ими с окружающим пространством. Ученые сравнивают это с каплей пищевого красителя, добавленной в стакан воды: цвет постепенно распространяется по всему объему, точно так же тяжелые элементы из ранних галактик «окрашивали» космос.

Барионный цикл и загадка первых звезд

Процесс обмена веществом между галактиками и межгалактической средой называется барионным циклом. Это важнейший механизм, который делает галактики не изолированными системами, а частью единой космической экосистемы. Вещество, созданное одним поколением звезд, может быть выброшено наружу, перемешаться с окружающим газом и затем снова вернуться в галактику, где из него родятся новые звезды.

Открытие ранних барионных циклов помогает объяснить одну из давних загадок астрономии: почему нам не удается найти звезды третьего поколения, или Population III. Это гипотетические самые первые звезды, которые должны были сформироваться из абсолютно чистого газа, содержащего только водород и гелий.

Если галактики начали обогащать окружающую среду тяжелыми элементами уже через 500 миллионов лет после Большого взрыва, то по-настоящему чистого газа могло просто не остаться к моменту, когда эти звезды должны были бы существовать. Исследователи приводят простое сравнение: если вы начнете с чистого ванильного мороженого, но вскоре добавите в него шоколад, то очень скоро вы больше не сможете найти чистое ванильное мороженое.

Главный вывод работы заключается в том, что ключевые условия для круговорота вещества между галактиками и окружающим пространством были заложены в первые несколько сотен миллионов лет космической истории, задолго до завершения эпохи реионизации. Тяжелые элементы, созданные первыми звездами, не оставались запертыми внутри галактик, а выбрасывались наружу потоками газа, обогащая межгалактическую среду и подготавливая почву для формирования следующих поколений звезд и планет. Это открытие не только уточняет нашу картину эволюции Вселенной, но и объясняет, почему поиски самых первых звезд могут быть настолько сложными: космос «загрязнился» тяжелыми элементами гораздо быстрее, чем предполагалось.