В ранней Вселенной обнаружили исключительно богатое металлами газовое облако
Астрономы обнаружили исключительно плотное и обогащённое тяжёлыми элементами газовое облако, существовавшее уже при красном смещении 7,03 — в эпоху реионизации ранней Вселенной. Оно окружает скрытую пылью галактику ND1 и содержит больше вещества, выявляемого по линиям поглощения металлов, чем другие известные подобные системы при красном смещении выше 5. Наблюдения показывают, что молодые галактики могли быстро распространять синтезированные звёздами элементы далеко за свои пределы.
Газовое облако обнаружили случайно по спектру более далёкого красного квазара. Его свет на пути к Земле прошёл через вещество возле ND1, и находящиеся там атомы оставили характерные линии поглощения. Такие системы позволяют исследовать газ, который сам по себе слишком слаб, чтобы его можно было подробно наблюдать непосредственно. В данном случае линии показали присутствие химически обогащённого вещества в окологалактической среде — протяжённом газовом гало вокруг галактики.
Для изучения системы международная группа под руководством Цинъюэ Фэя использовала глубокие спектроскопические наблюдения прибора NIRSpec космического телескопа «Джеймс Уэбб», а также данные радиоинтерферометра NOEMA. Исследователи нашли и саму галактику, связанную с поглощающим облаком. Она получила обозначение ND1 и находится примерно в 16 килопарсеках от линии зрения на квазар — это около 52 тысяч световых лет.
ND1 активно образует звёзды, но сильно скрыта космической пылью. В изображениях камеры NIRCam телескопа «Джеймс Уэбб» галактика обнаруживается только в наиболее длинноволновых диапазонах. Поэтому аналогичные объекты могут оставаться незамеченными в обзорах, которые ищут ранние галактики преимущественно по их ультрафиолетовому излучению.
Точное красное смещение галактики удалось определить по излучению дважды ионизованного кислорода, линии водорода H-альфа и излучению однократно ионизованного углерода на длине волны 158 микрометров. Они дали значение около 7,0321. Поглощающее вещество движется относительно галактики примерно на 50 километров в секунду в сторону наблюдателя. Авторы связывают это смещение с потоком газа, который выбрасывается из галактики в окружающее пространство.
Сочетание скорости движения и измеренной плотности вещества позволило оценить темп потери газа примерно в 64 массы Солнца в год. Коэффициент массовой нагрузки потока составляет около 3: по оценке исследователей, галактика выбрасывает газ примерно втрое быстрее, чем превращает его в новые звёзды. Такая картина соответствует мощному химически обогащённому галактическому ветру, возникающему при интенсивном звездообразовании.
Особенно необычным оказался химический состав газа. Общая степень ионизации и отношение магния к железу соответствуют тенденциям, известным для других эпох космической истории, однако отношение углерода к кислороду оказалось повышенным. Авторы считают, что такой химический рисунок может сохранять следы нуклеосинтеза при взрывах звёзд населения III — первого поколения звёзд, сформировавшихся из почти первичного водорода и гелия.
Непосредственно звёзды населения III в этой системе не обнаружены. Возможная связь с ними следует из химического состава газа и истории звездообразования ND1, которая, согласно анализу исследователей, продолжается как минимум с красного смещения около 8. Поэтому облако может представлять собой своеобразную химическую летопись более раннего этапа эволюции галактики, когда её вещество обогащалось продуктами первых поколений сверхновых.
Само существование столь сильно обогащённого газового гало на красном смещении 7,03 показывает, что перенос тяжёлых элементов из галактик начался очень рано. Первые поколения звёзд должны были сначала синтезировать элементы тяжелее гелия, после чего взрывы сверхновых и другие процессы звёздной обратной связи могли выбрасывать их из областей звездообразования. Наблюдения ND1 показывают систему, в которой такое вещество уже оказалось на десятках тысяч световых лет от галактики в эпоху реионизации.
Обнаруженное облако выделяется среди известных систем этого периода крупнейшими эквивалентными ширинами линий и столбцовыми плотностями, измеренными у поглотителей металлов при красном смещении выше 5. Эти характеристики показывают, сколько поглощающего вещества находится вдоль луча зрения, и свидетельствуют о плотном, существенно обогащённом газовом гало.
Результат также указывает на возможную наблюдательную проблему при изучении химической эволюции ранней Вселенной. Сильное пылевое поглощение делает ND1 практически невидимой в ультрафиолетовом диапазоне, по которому отбирают многие далёкие галактики. Если подобные скрытые пылью системы активно выбрасывали обогащённое вещество, их вклад в распространение тяжёлых элементов по окологалактической и межгалактической среде мог недооцениваться.
Исследование в виде препринта на arXiv.