Телескопы JWST и ALMA обнаружили аномалию в составе первых галактик
Международный коллектив астрономов под руководством Каспера Э. Хайнца из Копенгагенского университета провел комплексное исследование далекой массивной галактики A1689-zD1, используя возможности двух астрономических инструментов — космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST) и большой Атакамской миллиметровой/субмиллиметровой антенной решетки (ALMA). Результаты этой работы, опубликованные на сервере препринтов arXiv, проливают новый свет на процессы формирования и свойства космической пыли в одной из самых ранних эпох существования Вселенной.
Галактика A1689-zD1 представляет собой уникальный объект для изучения. Будучи яркой массивной галактикой с сильным гравитационным линзированием и красным смещением приблизительно 7.13, она наблюдается в период, когда возраст Вселенной составлял лишь около 700 миллионов лет.
При сравнительно компактном диаметре около 3000 световых лет ее звездная масса оценивается в 2.6 миллиарда солнечных масс, а предыдущие наблюдения показали, что ее металличность близка к солнечной и что она содержит значительное количество пыли массой около 15 миллионов солнечных масс. Это делает данную галактику идеальной природной лабораторией для исследования свойств межзвездной среды в ранние космические эпохи.
Основной целью исследования была комплексная оценка компонентов барионной материи в межзвездной среде галактики с особым акцентом на изучение процессов накопления космической пыли. Для этого ученые провели многоуровневый анализ, сочетающий данные многоволновых наблюдений. Методология включала моделирование спектрального распределения энергии A1689-zD1 в ультрафиолетовом и дальнем инфракрасном диапазонах в режиме покоя, что позволило с высокой точностью определить ключевые параметры: звездную массу, массу пыли и скорость звездообразования. Наблюдения ALMA были использованы для ограничения общей динамической массы источника и вычисления массы газа с применением общепринятых газовых трассеров, но с обязательным учетом общей динамики системы.
Ключевым результатом исследования стало обнаружение парадоксального сочетания свойств межзвездной среды A1689-zD1. Несмотря на значительную абсолютную массу пыли, соотношение массы пыли к массе газа и массы пыли к массе металлов оказалось поразительно низким — всего 0.00051 и 0.061 соответственно. Проведенный анализ показал, что такая аномалия объясняется исключительно высокой металличностью галактики в сочетании с огромной массой газа, которая была вычислена на уровне 28 миллиардов солнечных масс.
Сравнительный анализ продемонстрировал, что значения соотношений массы пыли к массе газа и массы пыли к массе металла для A1689-zD1 на порядок ниже, чем у современных галактик, включая Млечный Путь, Большое и Малое Магеллановы Облака. Это свидетельствует о фундаментальном отличии свойств межзвездной среды в ранней Вселенной. Полученные данные указывают на то, что основной объем нейтрального атомарного водорода в луче зрения A1689-zD1 относительно беден пылью по сравнению с уровнем его химического обогащения.
Ученые пришли к принципиально важному выводу о том, что обнаруженные аномалии не являются уникальной особенностью A1689-zD1, но представляют собой распространенное явление среди других богатых металлами галактик на красном смещении z ≳ 6. Это позволяет предположить, что в ранней Вселенной либо радикально отличались физические процессы образования и разрушения пыли, либо существенно различалась сама излучательная способность пылевых частиц.
Полученные результаты бросают вызов современным теоретическим моделям эволюции галактик и указывают на необходимость пересмотра существующих представлений о темпах и механизмах формирования космической пыли в первые миллиарды лет после Большого взрыва.