ЧЁРНАЯ ЖЕМЧУЖИНА: ПЫЛЕВОЙ ОТПЕЧАТОК ЧЕРЕЗ 500 МИЛЛИОНОВ ЛЕТ ПОСЛЕ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

Космический телескоп имени Джеймса Уэбба раз за разом обнаруживает, что галактики на удивление быстро наполнились металлами и пылью — уже в первый миллиард лет космической истории. Изучать пыль на таком расстоянии трудно: её собственное тепловое свечение чрезвычайно сложно зарегистрировать. Но пыль оставляет следы и на звёздном свете, проходящем сквозь неё, и один из этих следов особенно красноречив.

Провал в ультрафиолете

В Млечном Пути пыль ослабляет ультрафиолетовый свет с широким «горбом» (bump) с центром около 2175 ангстрем — провалом в спектре, самой сильной особенностью кривой экстинкции нашей Галактики. Его обычно связывают с мелкими богатыми углеродом зёрнами или молекулами, хотя какими именно, до сих пор спорят: среди кандидатов — мелкие графитовые зёрна, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и аморфный углерод. Вдоль разных лучей зрения в Млечном Пути ширина и сила горба меняются, но его центральное положение удивительно стабильно.

«Уэбб» продвинул поиски в раннюю Вселенную. Знаковое обнаружение случилось в галактике с красным смещением 6,71, примерно через 800 миллионов лет после Большого взрыва: горб с пиком около 2263 Å — краснее, чем в Млечном Пути. У другой галактики, с красным смещением 7,11, пик приходится на 2257 Å. В среднем горб, похоже, ослабевает при движении к более ранним эпохам.

Галактика с красным смещением 9,33

Джулия Родигьеро из Падуанского университета и INAF и около пятидесяти соавторов из Европы, Америки и Азии просмотрели спектры прибора NIRSpec телескопа «Уэбб» из двух скоординированных программ, ZENITH и EMBER. Они рассматривали источники с красным смещением больше 8, где покрывается область 2175 Å, не отбирая заранее те, у которых уже был заметен горб. Один выделился. Авторы называют его Чёрной жемчужиной — почему, в статье не сказано.

Эмиссионные линии водорода и кислорода дают красное смещение 9,3335: мы видим галактику такой, какой она была примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Это довольно небольшая галактика со звёздной массой около 10^8,35 солнечных масс, ежегодно образующая звёзды общей массой примерно 2,4 Солнца, и одна из самых ярких в ультрафиолете галактик со спектроскопически подтверждённым красным смещением больше 9.

Два способа увидеть один и тот же провал

В её спектре есть широкая впадина ровно там, где должен находиться пылевой горб. Команда измерила её двумя независимыми способами.

Первый — напрямую: аппроксимировать ультрафиолетовый континуум гладкой кривой и измерить дополнительное ослабление. Провал обнаружен на уровне 17,6 сигмы, а добавление профиля в форме горба колоссально улучшает аппроксимацию (χ² падает с 474 до 8,2). Пик профиля находится на 2132 ± 17 Å, ширина — 413 ± 54 Å, максимальное ослабление — 0,21 звёздной величины. Проверки исключают в качестве причины соседнюю эмиссионную линию углерода и смесь неразрешённых линий.

Второй — с полной моделью галактики, включающей звёзды, газ, пыль и фотометрию, с гибким законом пылевого ослабления, в котором положение и ширина горба свободны. Обе проверенные истории звездообразования воспроизводят горб — около 2147 и 2168 Å, что согласуется с прямым измерением, хотя и менее точно.

Может ли это быть подделкой чёрной дыры? Активное ядро способно порождать «лес» линий железа, имитирующий провал. Эмиссионные линии указывают на жёсткое поле излучения и оставляют место для некоторого вклада ядра, но не для такого сильного, чтобы доминировать в ультрафиолете. Авторы склоняются к пыли, но отмечают, что ядро, «потенциально даже существенное», нельзя твёрдо исключить.

Сдвиг не в ту сторону

Ширина совпадает с шириной в Млечном Пути. Положение — нет: на 43 Å синее среднего для нашей Галактики, на уровне около 2,5 сигмы, и примерно на 127 Å синее двух горбов, известных при красном смещении около 7, которые сдвинуты в красную сторону. Для авторов это разнообразие говорит против единого универсального горба в ранней Вселенной: пылинки, ответственные за него, вероятно, различались от галактики к галактике.

Что это за пылинки? Расчёты для самых мелких графитовых зёрен близки к профилю Чёрной жемчужины — в отличие от более раннего случая с красным смещением 6,71. Некоторые отдельные молекулы ПАУ тоже могут его воспроизвести, но ПАУ редки в бедных металлами галактиках с меньшим красным смещением, а выведенное здесь интенсивное излучение может разрушать самые мелкие из них. Оба варианта остаются правдоподобными.

Пыль за 200 миллионов лет

Важны не 500 миллионов лет с момента Большого взрыва, а время с тех пор, как галактика начала образовывать звёзды. Если это началось около красного смещения 14, в распоряжении было около 200 миллионов лет. Свой вклад могли внести сверхновые, рост пылинок в межзвёздной среде и, возможно, самые быстро эволюционирующие звёзды AGB (асимптотической ветви гигантов); каков вклад каждого из этих источников, остаётся открытым вопросом.

Речь идёт об одной галактике, сдвиг её горба значим лишь на уровне около 2,5 сигмы, а кривые ослабления не сопоставляются однозначно с типами пылинок. Статья направлена в журнал ApJ. Её главная мысль: теперь не только наличие горба, но и его форма может рассказать о том, как образовалась первая пыль.