С телескопом VLT открыта ярчайшая удаленная галактика CR7 со звездами населения III


CR7, самая яркая галактика ранней Вселенной: взгляд художника
Используя Очень Большой Телескоп ESO (VLT), астрономы обнаружили удаленную галактику, значительно превосходящую по яркости все до сих пор открытые объекты ранней Вселенной. Были получены убедительные доказательства того, что в этой галактике находятся представители самого первого поколения звезд Вселенной. Эти массивные и яркие светила, существование которых до сих пор лишь предсказывалось теорией, были первыми во Вселенной «фабриками» тяжелых элементов, необходимых для формирования звезд, которые сейчас нас окружают, планет вокруг них и самой жизни в известной нам форме. Новооткрытая галактика CR7 втрое ярче самой яркой из известных на сегодня далеких галактик.

Астрономы давно уже пришли к теоретическому выводу о существовании первого поколения звезд (так называемых звезд III типа населения), родившихся из первичной материи после Большого Взрыва [1]. В недрах этих звезд образовались атомы всех химических элементов тяжелее кислорода — кислород, азот, углерод и железо, все те элементы, которые необходимы для жизни. Строительным материалом для первичных звезд могли быть только элементы, существовавшие прежде них: водород, гелий и малые количества лития.

Теория показывает, что звезды населения III должны были быть огромными — в несколько сотен или даже в тысячу раз массивнее Солнца — очень горячими и яркими, а также короткоживущими, существующими всего пару миллионов лет и затем взрывающимися в виде сверхновых. Но до сих пор поиски наблюдательного доказательства их существования были безуспешны [2].

Группа исследователей из Института астрофизики и космических исследований (Institute of Astrophysics and Space Sciences), Лиссабонского университета в Португалии, и Лейденской обсерватории (Нидерланды) под руководством Давида Собрала (David Sobral) при помощи Очень Большого Телескопа ESO (VLT) сумела заглянуть в очень раннюю эпоху существования Вселенной, называемую периодом реионизации, которая настала примерно через 800 миллионов лет после Большого Взрыва. Ученые не стали проводить узкое и глубокое исследование малого участка неба, а наоборот расширили область поисков и предприняли самый обширный из всех до сих пор выполнявшихся обзоров очень далеких галактик.

В своем исследовании наряду с VLT группа использовала телескопы обсерватории Кека (W. M. Keck Observatory), телескоп «Субару» (Subaru Telescope), а также всю мощь Космического телескопа Хаббла (NASA/ESA Hubble Space Telescope). В результате было открыто — и эти открытия были подтверждены — множество неожиданно ярких и очень молодых галактик. Одна из них, с обозначением CR7 [3], оказалась исключительно редким объектом, намного ярче любой из галактик, до сих пор наблюдавшихся на этой стадии развития Вселенной [4]. Открытие CR7 и других ярких галактик ранней Вселенной уже означало успех исследования, но дальнейшие наблюдения принесли новую неожиданность.

Приемники X-shooter и SINFONI, установленные на VLT, зарегистрировали в CR7 сильное излучение ионизованного гелия, но при этом, против ожидания, не было найдено никаких следов излучения более тяжелых элементов. Это означает, что получено первое веское доказательство существования скоплений звезд населения III, тех самых, которые ионизовали газ внутри этой ранней галактики [5].

“Открытие с самого начала ошеломило нас” -- сказал Давид Собрал. “Мы не ожидали найти столь яркую галактику. А затем, шаг за шагом раскрывая природу CR7, мы поняли, что нашли не только самую яркую из известных удаленных галактик, но и что она имеет все характеристики, свойственные гипотетическому звездному населению типа III. Именно в таких звездах образовались первые во Вселенной тяжелые атомы, из которых теперь состоим и все мы. Это просто удивительно!”

Внутри галактики CR7 были найдены и более голубые, и более красные скопления звезд. Это свидетельствует о волнообразном процессе формирования звезд населения III, что согласуется с предсказаниями теории. Скопления, которые исследователи наблюдали непосредственно, принадлежат к последней волне населения III. Это позволяет предположить, что такие звезды, возможно, найти легче, чем считалось до этого: они обитают среди обычных звезд, в ярчайших галактиках, а не только в самых ранних и маленьких, которые крайне трудно наблюдать и изучать из-за их слабости.

Йоррит Маттеи (Jorryt Matthee), второй автор работы, заключает: “Меня всегда занимал этот вопрос – откуда мы? Еще ребенком я задумывался, откуда взялись химические элементы: кальций, из которого состоят мои кости, углерод в моих мышцах, железо в крови. Я узнал, что все эти атомы впервые появились на заре существования Вселенной, в недрах звезд первого поколения. И вот теперь мы впервые увидели эти звезды воочию.”

Планируются новые наблюдения на телескопах VLT, ALMA, на Космическом телескопе Хаббла NASA/ESA, чтобы подтвердить, что действительно обнаружены звезды населения III, и чтобы найти другие такие объекты.

Примечания

[1] Название «население типа III» связано с тем, что ранее астрономы уже классифицировали звезды Млечного Пути как относящиеся к населению типа I (звезды, похожие на Солнце, богатые тяжелыми элементами и населяющие диск Галактики) и к населению типа II (более старые звезды с низким содержанием тяжелых элементов, образующие сферические подсистемы Млечного Пути -- так называемые балдж и гало, а также шаровые скопления).

[2] Найти такие звезды крайне трудно: они должны были быть весьма короткоживущими и светить в то время, когда Вселенная была в основном непрозрачна для их излучения. Среди предыдущих исследований в этом направлении: Nagao, et al., 2008 (ионизованного гелия не найдено), De Breuck et al., 2000 (найден ионизованный гелий, но одновременно углерод и кислород, а также явные признаки активного галактического ядра) и Cassata et al., 2013 (найден ионизованный гелий, но с очень низкой эквивалентной шириной линий, то есть с очень малой интенсивностью излучения, и опять вместе с углеродом и кислородом).

[3] CR7 – сокращение от COSMOS Redshift 7, что представляет собой зашифрованную меру красного смещения объекта, то есть его локализации на шкале возраста Вселенной. Чем больше красное смещение, тем более далекой является галактика и тем на более ранней стадии истории Вселенной мы ее видим. Например, A1689-zD1, одна из самых ранних известных нам галактик, имеет красное смещение 7.5.

Обозначение подсказано и тем, что великий португальский футболист Кристиано Роналдо (Cristiano Ronaldo) имеет прозвище CR7.

[4] CR7 втрое ярче прежнего чемпиона по яркости среди объектов ранней Вселенной, галактики Himiko, которая считалась уникальной.

[5] Ученые обсуждали две возможных теоретических альтернативы: источник излучения мог быть активным ядром галактики (AGN) или звездами Вольфа-Райе. Но отсутствие тяжелых элементов и некоторые другие признаки заставили решительно отбросить обе эти возможности. Возникло также предположение, что источником излучения могут быть коллапсирующие черные дыры, которые сами по себе являются крайне экзотическими и чисто теоретическими объектами. Но отсутствие широкой эмиссионной линии и тот факт, что светимости водорода и гелия оказались гораздо выше предсказываемых для случая черной дыры, показывает, что и такая возможность маловероятна. Недостаточно высокий уровень рентгеновского излучения послужил бы дополнительным возражением против нее, но для того, чтобы его измерить, нужны дополнительные наблюдения.

Узнать больше

Результаты исследования представлены в статье “Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation”, D. Sobral, et al., принятой к публикации в The Astrophysical Journal.

Состав группы исследователей: David Sobral (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugal; Departamento de Física, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugal; Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, The Netherlands), Jorryt Matthee (Leiden Observatory), Behnam Darvish (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, USA), Daniel Schaerer (Observatoire de Genève, Département d’Astronomie, Université de Genève, Versoix, Switzerland; Centre National de la Recherche Scientifique, IRAP, Toulouse, France), Bahram Mobasher (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, USA), Huub J. A. Röttgering (Leiden Observatory), Sérgio Santos (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa; Departamento de Física, Universidade de Lisboa, Portugal) и Shoubaneh Hemmati (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, USA).

Ссылки

• Текст научной статьи
• Фото VLT

Перевод пресс-релиза ESO eso1524 http://www.eso.org/public/russia/news/eso1524/