Обнаружены следы углерода в первых галактиках

Астрономы под руководством Питера Капака из Калифорнийского технологического института в Пасадине (Peter Capak, California Institute of Technology, Pasadena) с помощью Большого атакамского миллиметрового/субмиллиметрового массива радиотелескопов ALMA в Чилийских Андах1 выявили признаки наличия пыли в межзвездном пространстве галактик ранней Вселенной, свет от которых шел к нам более 13 млрд. лет. Как и ожидалось, ее концентрация там оказалась меньше, чем в современных галактиках.

Радиоизображения четырех из девяти далеких ранних галактик, полученные телескопами массива ALMA.

Газ и пыль являются основными компонентами межзвездной среды и важным «строительным материалом» для звезд и планет. 98% всей массы барионной материи Вселенной составляют водород и гелий. Оставшиеся 2% — все химические элементы тяжелее гелия (астрономы условно называют их термином «металлы») — появились в результате термоядерных реакций в недрах звезд.

Поэтому вещество, из которого состоят пылинки, не могло возникнуть раньше, чем зажглись первые светила. Соответственно ученые ожидали, что первые галактики были почти свободными от пыли, производя ее уже в процессе своей эволюции. Тем не менее, факты, подтверждающие такое предположение, получить долгое время не удавалось.

Беспрецедентно высокая чувствительность обсерватории ALMA позволила непосредственно зарегистрировать слабые следы атомов углерода в межзвездном пространстве так называемых «нормальных» галактик. Эти следы обнаружились на расстоянии, соответствующем примерно миллиарду лет после Большого Взрыва, что помогло астрономам лучше понять химическую эволюцию нашего мира. Теперь можно утверждать, что нормальные галактики в ранней Вселенной уже имели в своем составе углерод, но были не столь химически богатыми, как подобные им объекты несколько миллиардов лет спустя, где большая часть углерода связывается с другими атомами в простые органические молекулы (простейшей из них можно считать окись углерода CO) и конденсируется в пылевые частицы.

Массиву радиотелескопов впервые удалось обнаружить в межзвездной среде девяти очень молодых далеких галактик исключительно слабое «свечение» ионизированного углерода на волнах миллиметрового диапазона. Возраст Вселенной в то время составлял лишь 7% от ее современного возраста. Радиоизлучение углеродных атомов могло возникнуть по причине ионизации их мощным ультрафиолетовым излучением, испускаемым яркими молодыми массивными звездами.

Спектральные линии ионизированного углерода уже давно считаются эффективным инструментом для изучения степени обогащения галактик элементами тяжелее гелия. Со многими из них углеродные атомы вступают в химические реакции, формируя иногда достаточно сложные молекулы, благодаря чему элементный углерод, как правило, наблюдается в гораздо более низких концентрациях по сравнению с другими тяжелыми элементами в межзвездном пространстве. Такая особенность делает его отличным «трассером» для относительно молодых звездных систем, находящихся на ранних стадиях эволюции. Следовательно, если мы видим в межзвездной среде именно ионизированный углерод — это значит, что концентрация других элементов там относительно низка. И совершенно другая картина наблюдается в галактиках с возрастом на два миллиарда лет большим, в которых уже очень много пыли из соединений тяжелых элементов.

Таким образом, астрономы констатируют, что на ранних этапах эволюции нашего мира уже сформировались галактики, сравнимые по размерам с теми, которые мы считаем «нормальными» для нашего времени. Однако разница в химическом составе и заметный недостаток пылевой компоненты указывают на то, что исследованные звездные системы действительно находятся в начальных стадиях своего развития.