Пыль от взрывов звёзд объяснила загадку слишком ярких галактик ранней Вселенной

Астрономы, возможно, нашли ответ на один из самых озадачивающих вопросов, которые поставил перед учёными космический телескоп Джеймса Уэбба: почему древние галактики светятся в ультрафиолете гораздо ярче, чем должны? Согласно новому исследованию, опубликованному 11 мая на научном сервере arXiv, всё дело в особом типе космической пыли, которую производят взрывающиеся звёзды — сверхновые.

Когда телескоп Уэбба начал смотреть в самое далёкое прошлое Вселенной — туда, где галактики существовали уже через 500 миллионов лет после Большого взрыва, — учёные ожидали увидеть тусклые, окутанные пылью объекты. Но вместо этого обнаружили яркие галактики, которые никак не укладывались в существующие модели. Обычно пыль внутри галактик поглощает ультрафиолетовое излучение, не давая ему вырваться наружу. Значит, если галактики такие яркие — пыль почему-то не работает как надо.

Особую роль в этой истории сыграли так называемые галактики с крайне низким поглощением пыли. Они богаты газом — порой тот составляет более 90% их содержимого, — однако почти прозрачны для ультрафиолета. Это противоречие: если бы звёздные взрывы просто «выдували» пыль наружу, вместе с ней ушёл бы и газ. Но газ никуда не делся.

Разгадка, по мнению исследователей под руководством Д. Бургареллы из Марсельской лаборатории астрофизики, кроется в свойствах самой пыли. В молодой Вселенной у межзвёздной пыли не было миллиардов лет, чтобы накапливаться и «взрослеть». Единственный доступный источник — сверхновые, то есть взрывы массивных звёзд в конце их жизни. Но такая пыль особенная: ударная волна от самого взрыва дробит мелкие частицы, оставляя преимущественно крупные. А крупные частицы практически не задерживают ультрафиолет — свет просто проходит сквозь них.

Учёные построили модель, учитывающую оптические свойства такой «звёздной пыли», количество тяжёлых элементов в галактике и расположение звёзд и пылевых облаков. Когда они применили её к смоделированным галактикам, результаты совпали с реальными наблюдениями телескопа Уэбба — без каких-либо экзотических допущений о необычном звездообразовании или скрытых чёрных дырах.

Модель также указала на любопытный порог: когда содержание тяжёлых элементов в галактике ниже примерно одной десятой от солнечного, пыль от сверхновых почти не затемняет свет. Как только этот порог преодолён, в галактике начинает накапливаться «обычная» пыль, и ультрафиолет гасится сильнее. Похоже, телескоп Уэбба впервые позволил увидеть этот переход в действии на таких огромных расстояниях.

Самое интригующее — некоторые из исследованных галактик настолько примитивны, что их пыль может быть прямым наследием первого поколения звёзд во Вселенной. Эти звёзды состояли исключительно из водорода и гелия и никогда не наблюдались напрямую. Их взрывы должны были произвести именно такую крупнозернистую, «прозрачную» пыль, следы которой теоретически можно обнаружить в свойствах древних галактик.

Авторы предупреждают: модель убедительна, но не окончательна. Точные свойства пыли сверхновых в ранней Вселенной ещё предстоит уточнить с помощью будущих наблюдений телескопа Уэбба и радиотелескопа ALMA.