Астрономы нашли нового кандидата в самую далекую галактику

Астрономы отыскали два новых кандидата в очень далекие галактики, один из которых существовал во времена, когда возраст Вселенной составлял всего 330 миллионов лет. Таким образом, если существование HD1 будет подтверждено будущими наблюдениями телескопа «Джеймс Уэбб», то она станет самой далекой галактикой или квазаром на сегодняшний день. Препринты работ (1, 2) доступны на сайте arXiv.org.

Поиск и исследования первых галактик, существовавших во Вселенной — одна из главных задач современной астрономии. Она решается при помощи крупных наземных и космических телескопов и должна позволить проверить теории, описывающие эволюцию ранней Вселенной, например начало эпохи Реионизации или механизмы роста сверхмассивных черных дыр. В частности, обнаружение квазаров при значениях красного смещения z>7 создали серьезную проблему для объяснения образования черных дыр с массами 10⁹ масс Солнца за относительно короткое время. 

До недавнего времени рекордно далекой галактикой, подтвержденной спектроскопически, была GN-z11, которая характеризуется удивительно высокой светимостью и звездной массой 10⁹ масс Солнца. Значение красного смещения для нее составляет z=10,95, что соответствует отметке возраста Вселенной около 420 миллионов лет. Самым далеким квазаром считается J0313-1806 — в его случае z=7,642, что соответствует возрасту Вселенной 670 миллионов лет. При этом предполагается, что существует гораздо большее число ярких галактик при z∼9−11, чем считалось ранее, а галактики, активно формирующие звезды, должны наблюдаться даже при z∼15.

Группа астрономов во главе с Юити Харикане (Yuichi Harikane) из Токийского университета сообщила об открытии двух кандидатов в яркие галактики при z∼12−13, сделанном в ходе анализа выборки более чем 700 тысяч галактик при z=12−16 из данных многоволновых обзоров неба COSMOS, SXDS, HSC-SSP, UKIDSS, UltraVISTA и SPLASH, проводившихся наземными и космическими телескопами. Ученые при помощи фотометрических методов искали галактики Лаймановского скачка (Lyman-break galaxies), в спектре которых почти нет линий излучения короче предела Лаймана — это связано с поглощением более энергетического излучения нейтральным газом, окружающим области звездообразования в таких галактиках. Таким образом, подбирая наборы фильтров, работающих на разных длинах волн, можно вести поиск галактик на разных красных смещениях. Затем интересные кандидаты наблюдались при помощи системы радиотелескопов ALMA.

Найденные кандидаты получили обозначения HD1 и HD2, не наблюдаются при длинах волн менее 1,2 микрометра и кажутся чрезвычайно яркими в ультрафиолетовом диапазоне. Спектральное распределение энергии кандидатов согласуется с галактиками при значениях z∼13. Наблюдения системы ALMA позволили определить со статистической значимостью 4 сигма значение красного смещения z=13,27 для HD1, что согласуется с фотометрической оценкой красного смещения и соответствует возрасту Вселенной около 330 миллионов лет. Таким образом, она действительно может быть самой далекой галактикой известной на сегодняшний день. Более точное значение красного смещения для HD2 еще предстоит получить.

Свойства найденных объектов можно объяснить, если предположить, что эти галактики являются экстремально звездообразующими, с темпами звездообразования в 5–24 раза выше, чем оценки на основе экстраполяции значений, полученных для галактик с меньшими значениями красного смещения. Возможно также, что для этих галактик начальная функция масс звезд сдвинута в сторону высоких масс, что связывается с большой долей звезд поколения III, которые были первыми звездами во Вселенной. Однако гипотезу о том, что оба кандидата могут быть квазарами, исключать нельзя — в этом случае в центрах галактик будут находиться черные дыры с массой около 10⁸ масс Солнца, которые аккрецируют вещество со скоростью на уровне предела Эддингтона или немного выше него.  

Если оба кандидата будут подтверждены данными будущих спектроскопических наблюдений при помощи космического телескопа «Джеймс Уэбб», то они станут замечательными природными лабораториями для изучения ранней Вселенной. Кроме того, если расчеты ученых верны, то будущие наблюдения «Джеймса Уэбба», телескопа Роман и проекта GREX-PLUS (Galaxy Reionization EXplorer and PLanetary Universe Spectrometer) смогут обнаружить более 10 тысяч галактик при z∼13−15 и, возможно, от одной до нескольких галактик при z∼17, что позволит наблюдать самые первые галактики во Вселенной.

Ранее мы рассказывали о том, как самый далекий гамма-всплеск объяснили отражением света от разгонного блока «Бриз-М».

Александр Войтюк