«Телескоп Джеймса Уэбба обнаружил источник Лаймановского континуума в старинных галактиках»

Спектроскопия подтвердила, что излучение возникает в молодом звёздном сгустке приливного хвоста галактического слияния

Одной из основных загадок ранней Вселенной является эпоха реионизации — период, в который, спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, первые звёзды и галактики начали заполнять межгалактическое пространство высокоэнергетическим излучением. На сегодняшний день ещё не полностью ясно, какие процессы позволили ионизирующим фотонам покидать галактики в достаточном объёме. Новые наблюдения, проведённые космическим телескопом «Джеймс Уэбб», продемонстрировали один из возможных механизмов: такие фотоны могут эффективно покидать область звездообразования, сформировавшуюся в «приливном хвосте» в процессе слияния галактик.

Речь идёт о фотонах Лаймановского континуума (LyC) — высокоэнергетическом ультрафиолетовом излучении, способном ионизировать атомы водорода. В течение первых 1 миллиарда лет существования Вселенной именно такое излучение от молодых звёзд постепенно ионизировало межгалактический газ. Одним из возможных источников значительного количества LyC считались слияния галактик: мощное гравитационное взаимодействие сжимает и перемешивает межзвёздный газ, вызывая интенсивное звездообразование. При этом между взаимодействующими галактиками могут образовываться приливные хвосты — вытянутые потоки газа и звёзд. В отдельных участках таких структур за короткий промежуток времени формируется множество молодых звёзд, а быстро расходующийся окружающий газ перестаёт эффективно поглощать их высокоэнергетическое излучение.

Чтобы проверить эту гипотезу, группа из Университета Китайской академии наук и Национальных астрономических обсерваторий Китайской академии наук проанализировала 2 кандидата в источники утечки LyC — LACES94460 и LACES104037. Эти объекты находятся при красном смещении z = 3,1, что означает, что наблюдатель сегодня видит их такими, какими они были около 2 миллиардов лет после Большого взрыва. Кандидаты были обнаружены ранее в рамках проекта LACES (LymAn Continuum Escape Survey) с использованием данных космического телескопа «Хаббл». Новые спектроскопические наблюдения были выполнены с помощью NIRSpec IFU «Джеймса Уэбба» — устройства, которое позволяет получать спектры отдельных областей объекта с высокой пространственной детализацией.

Наблюдения продемонстрировали, что один из кандидатов совершенно не является источником утечки LyC. Сигнал LACES94460 оказался загрязнённым данными с объекта, находящегося на переднем плане и имеющего меньшее красное смещение z = 1,6. Спектроскопия позволила однозначно отделить этот объект от далёкой галактики и опровергнуть первоначальную интерпретацию. В случае с LACES104037 ситуация оказалась противоположной: «Джеймс Уэбб» подтвердил наличие ионизирующего излучения, которое исходит не из основной части галактики, а из отдельного звёздного сгустка LACES104037-LyC, расположенного в приливном хвосте между двумя взаимодействующими галактиками.

LACES104037 находится на ранней стадии слияния: основные галактики разделены приблизительно на 39 000 световых лет и имеют проецируемую разницу скоростей около 480 км/с. Источник LyC расположен в соединяющей их приливной структуре. Моделирование данных «Джеймса Уэбба» и предыдущих фотометрических наблюдений показало, что звёздному сгустку около 5 миллионов лет. Это очень молодая область звездообразования, и согласно модели, около 99% фотонов Лаймановского континуума покидают её, а не поглощаются окружающим веществом.

Расположение источника делает наблюдение особенно важным для понимания механизма утечки. LACES104037-LyC стал первым спектроскопически подтверждённым на высоком красном смещении источником LyC, который находится в отдельном звездообразующем сгустке вне основного тела галактики. Ранее подобные процессы было затруднительно уверенно идентифицировать из-за ограниченной пространственной и спектральной разрешающей способности наблюдений: сигнал отдалённой галактики мог смешиваться с данными объектов, находящихся ближе к Земле. В данном случае данные NIRSpec позволили не только подтвердить саму утечку, но и определить конкретную область, из которой исходит излучение.

Полученные результаты подтверждают сценарий, в котором слияния галактик могли быть значительным источником ионизирующих фотонов во время реионизации. При этом авторы акцентируют внимание на необходимости дальнейших наблюдений: для понимания физики утечки требуется разрешение отдельных областей звездообразования. Работа также подчеркивает ограниченность подходов, которые оценивают вклад галактик в реионизацию только по их общей ультрафиолетовой светимости: они не учитывают сложные локальные процессы, такие как выход LyC из звёздных сгустков в приливных хвостах. Новые наблюдения «Джеймса Уэбба» позволяют постепенно включать такие процессы в понимание того, как Вселенная перешла из нейтрального состояния в ионизированное.