ГАЛАКТИКА ПОЧТИ БЕЗ УГЛЕРОДА ЧЕРЕЗ 1 МИЛЛИАРД ЛЕТ ПОСЛЕ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

Сразу после Большого взрыва обычное вещество состояло почти исключительно из водорода и гелия. Все более тяжёлые элементы — углерод, кислород, железо — появились позже, в недрах звёзд, и были рассеяны их взрывами.

Это важно для того, как рождаются звёзды. Сжимающееся газовое облако при сжатии нагревается и должно избавиться от этого тепла, чтобы распасться на звёзды. В сегодняшней Вселенной основную часть охлаждения обеспечивают ионы углерода и кислорода, и облака распадаются на звёзды всех размеров, многие из которых меньше Солнца. Без этих элементов первые облака могли охлаждаться только за счёт молекул водорода. Они распадались на крупные фрагменты, и звёзды, которые из них возникали, были в основном массивными.

Сколько углерода и кислорода нужно, чтобы перейти к «нормальному» звездообразованию? Очень мало: около 1/3000 солнечной доли. Этот порог был пройден так быстро, что каждая далёкая галактика, которую удавалось увидеть светящейся до сих пор, в том числе телескопом «Джеймс Уэбб», к тому моменту, когда она становится достаточно яркой, чтобы её увидеть, уже значительно его превышает.

Читать облако в свете квазара

Есть и другой способ найти первичный газ: позволить ему поглощать свет чего-то более яркого позади. Сара Босман из Гейдельбергского университета, Фредерик Дэвис из Института астрономии Общества Макса Планка и 23 их коллеги обследуют 30 самых ярких квазаров с красным смещением от 4,5 до 5,5 с помощью GHOST — спектрографа, установленного в 2024 году на телескопе «Джемини-Юг» в Чили, который они называют самым чувствительным спектрографом высокого разрешения из когда-либо построенных.

Свет квазара J1941−4500 проходит через плотное облако нейтрального водорода — «затухающую лайман-альфа систему» (damped Lyman-alpha absorber), тип резервуара газа, который, как считается, находится в пределах нескольких килопарсеков от областей звездообразования галактики. Каждый элемент в облаке поглощает свет на своих длинах волн. После 5,8 часа экспозиции команда смогла измерить кремний, кислород и углерод; железо не обнаружено вовсе.

Самое первозданное облако на сегодня

Облако, получившее название UMP-DLA-1, находится на красном смещении 5,14, примерно через 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва. Его показатели:

Углерод: в 11 000 раз меньше, чем в Солнце, относительно водорода (около 16 000 раз меньше по новейшей солнечной шкале).
Кислород и кремний: примерно в 5000 раз меньше, чем в Солнце.
Это более чем в три раза беднее кислородом и кремнием и в четыре раза беднее углеродом, чем любое известное ранее облако такого рода. Оно же и самое бедное железом.
Общая массовая доля элементов тяжелее гелия: 3,16 миллионной.

Авторы объединяют углерод и кислород в одно число — «переходный дискриминант» (transition discriminant), который предсказывает, может ли облако достаточно остыть:

D_trans = log₁₀ (10^[C/H] + 0,3 × 10^[O/H])

Ниже −3,5 облако не может сколлапсировать в звёзды меньше примерно одной солнечной массы. UMP-DLA-1 находится на уровне −3,85. Это первый резервуар газа, когда-либо найденный ниже этой линии, — так что одно лишь низкое содержание металлов гарантирует, что его звёзды были в основном тяжёлыми.

Поздний карман ранней Вселенной

Это означает, что звездообразование в почти нетронутом газе, с преобладанием массивных звёзд, было ещё возможно спустя долгое время после появления первых звёзд — и даже после окончания эпохи реионизации.

Химия облака — это ещё и образец того, что оставили после своих взрывов эти массивные бедные металлами звёзды: немного меньше углерода, чем кислорода, а кислород и кремний — в солнечных пропорциях. Сам по себе этот узор не позволяет сказать, были ли звёзды действительно первым поколением или ранним вторым. Но он совпадает с облаками более поздних эпох, которые в прежних работах удалось связать всего с 1–30 сверхновыми звёзд первого поколения. Авторы полагают, что охота за следами первых звёзд в уцелевших карманах первичного газа на красных смещениях ниже 7 может оказаться плодотворнее, чем попытки заглянуть гораздо дальше в прошлое, за красное смещение 20.

Несколько очень старых и очень бедных металлами звёзд в маленьких карликовых галактиках вблизи Млечного Пути несут ту же химическую подпись. Авторы считают «вполне возможным», что это последние уцелевшие из маленьких звёзд, родившихся в галактиках, подобных этой.

Удача или обычное дело?

Найти такое облако всего среди 30 квазаров удивительно. Если только обзору не повезло исключительно, пишут авторы, другие такие облака могут скрываться в уже имеющихся спектрах, похороненные в плотном водородном поглощении ранней Вселенной. Будущие гигантские телескопы, например Чрезвычайно большой телескоп (ELT), направленные на слабые квазары, которые откроет миссия «Евклид», должны провести полную перепись. Пока что UMP-DLA-1 — единичный объект, измеренный в предположении, что его газ движется как единое целое, — предположение, которое авторы подкрепляют отсутствием насыщенных линий поглощения.