«Джеймс Уэбб» впервые напрямую взвесил межгалактические облака нейтрального водорода в ранней Вселенной

Инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» позволил астрономам впервые напрямую оценить запасы нейтрального атомарного водорода в среде вблизи звездообразующих галактик в период от 400 до 600 миллионов лет после Большого взрыва. Водорода в межгалактической среде содержится больше, чем ожидалось, а сами галактики оказались прекрасным примером богатой газом популяции молодых звездообразующих галактик. Статья опубликована в Science.

Процесс формирования галактик стартует с аккреции нейтрального атомарного водорода на гало темной материи, где он накапливается и охлаждается и из него начинают образовываться звезды. В дальнейшем звездное население первых галактик порождало излучение, которое ионизирует межгалактический нейтральный газ в эпоху Реионизации (красные смещения более восьми), причем считается, что объемы генерации ионизирующего излучения зависели от запасов атомарного водорода в галактиках. Однако наблюдательных данных, дающих ограничения на объемы нейтрального атомарного водорода в галактиках в ранней Вселенной, крайне мало из-за трудности проведения наблюдений.

Группа астрономов во главе с Каспером Хайнцем (Kasper E. Heintz) из Института Нильса Бора сообщила об обнаружении крупных резервуаров атомарного водорода вокруг трех галактик из ранней Вселенной. Открытие было сделано в ходе поиска объектов типа DLA (damped Lya absorbers) среди двенадцати далеких галактик, которые наблюдались в ближнем инфракрасном диапазоне спектрографом NIRSpec «Джеймса Уэбба». Системы типа DLA демонстрируют в спектрах широкие линии поглощения нейтрального водорода, что связывается с обширными и плотными облаками атомарного водорода, окружающих галактики.

Две из найденных галактик под обозначениями CEERS-43833 и CEERS-16943 ранее были кандидатами в очень далекие галактики, которые затем были подтверждены, их красные смещения составили 8,7622 и 11,41. Галактика MACS0647-JD видна благодаря эффекту гравитационного линзирования скоплением галактик MACS J0647+7015, ее красное смещение составляет 10,17.

Звездные массы CEERS-43833, CEERS-16943 и MACS0647-JD составляют 10^8,72, 10^8,9 и 10^8,1 масс Солнца, а скорости звездообразования — 14,5, 4,3 и 1,4 массы Солнца в год, соответственно. Колонковая плотность атомарного водорода составляет более 10²² частиц на квадратный сантиметр, что на порядок выше, чем ожидалось для нейтральной межгалактической среды. В предположении, что галактики обладают сферической формой, общие массы атомарного водорода составляют 10^8,5-9 масс Солнца, что больше звездных масс и предсказывается моделированиями. Расчетное время истощения запасов газа составляет от 1 до 50 миллионов лет.

Ранее «Джеймс Уэбб» отыскал самую древнюю спокойную галактику и самые далекие звездные скопления в галактике из ранней Вселенной.