Мечта геолога: древняя галактика оказалась бедна пылью и богата газом и металлами

В Млечном Пути и ближайших к нам Магеллановых Облаках установилось стабильное соотношение космической пыли, газа и металлов. Но в галактиках, наблюдаемых в далеком прошлом, пыли мало, а газа много. Ученые уже ищут причину.

С помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) и Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой антенной решетки (ALMA) международная группа астрономов провела комплексные многоволновые наблюдения за далекой массивной галактикой A1689-zD1.

Новые наблюдения, подробно описанные в статье на сервере препринтов arXiv, позволяют получить важную информацию о свойствах галактики, в частности о генерации пыли в этой системе.

A1689-zD1 — яркая массивная галактика с высоким коэффициентом линзирования, красное смещение которой составляет 7,13 (по другим данны 7,6). Ее диаметр приблизительно равен 3000 световых лет, а звездная масса оценивается в 2,6x109 M⊙.

Наблюдать ее мы можем благодаря скоплению галактик Abell 1689 в созвездии Девы, расположенном в 2,2 миллиарда световых лет от нас. Расстояние до самой «виновницы торжества» приблизительно оценивается в 13 миллиардов световых лет. Мы видим галактику в том состоянии, в котором она была менее чем через миллиард лет после Большого Взрыва.

Предыдущие наблюдения за A1689-zD1 показали, что ее металличность (содержание элементов тяжелее гелия) близка к солнечному значению и что она содержит значительное количество пыли — примерно 1,5x107M⊙. Благодаря этому A1689-zD1 является отличным объектом для изучения межзвездной пыли в ранние космические эпохи.

Это побудило астрономов во главе с Каспером Хайнцем из Копенгагенского университета детально исследовать характеристики пыли с помощью JWST и ALMA.

Благодаря уникальному разрешению инфракрасных камер космический телескоп «Джеймс Уэбб» — основной инструмент исследования далеких объектов с большим доплеровским смещением.Источник: news.sky.com

Команда Хайнца провела моделирование спектрального распределения энергии A1689-zD1 в диапазоне от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного участков спектра, чтобы точнее определить ее звездную массу, массу пыли, степень ослабления излучения из-за запыленности, а также скорость звездообразования в галактике. Наблюдения с помощью ALMA также использовались для определения общей динамической массы источника и массы содержащегося в нем газа.

Исследование показало, что, хотя A1689-zD1 обладает значительным объемом пыли, соотношение массы пыли к массе газа (dust to gas, DTG) и массы пыли к массе металлов (DTM) у нее на удивление низкое — 0,00051 и 0,061 соответственно. Астрономы полагают, что это связано с необычно высокой металличностью A1689-zD1 и значительной массой газа, которая, по расчетам, составляет 2,8x1010M⊙.

Массовые соотношения DTG и DTM для A1689-zD1 оказались на порядок ниже, чем в Млечном Пути, Большом Магеллановом Облаке или Малом Магеллановом Облаке. Эти соотношения также указывают на то, что нейтральный атомарный водород (HI) в луче зрения A1689-zD1 относительно беден пылью.

Вырезанное изображение JWST/NIRCam в RGB-палитре (синий: F150W; зеленый: F277W; красный: F444W), наложенное на контуры эмиссии [C ii]-158 мкм, показывающие 3, 5, 7, 10σ (белые сплошные линии). В плоскости изображения показана шкала. Источник: https://phys.org/

По мнению авторов полученные результаты указывают на принципиально иную динамику образования и эволюции межзвездной пыли в ранних галактиках по сравнению с сегодняшним днем.

Мы обнаружили, что отклонение в соотношении масс DTG и DTM характерно и для других богатых металлами галактик на схожих расстояниях, z ≳ 6. Это говорит о том, что процессы формирования и разрушения пыли в более поздние времена или сама излучающая способность пыли кардинально отличаются у галактик ранней Вселенной и более поздних структур.

Каспер Хайнц
исследователь.