Изображение скопления Abell 2744 с помощью NIRCam в искусственных цветах.
Кредит: Природа (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05994-w

Первый миллиард лет жизни Вселенной был решающим периодом в ее эволюции. После Большого взрыва, примерно 13,8 миллиарда лет назад, Вселенная расширилась и остыла настолько, что образовались атомы водорода. Атомы водорода поглощают ультрафиолетовые фотоны от молодых звезд; однако до рождения первых звезд и галактик вселенная стала темной и вступила в период, известный как космические темные века.

Появление первых звезд и галактик несколькими сотнями миллионов лет спустя залило Вселенную мощным ультрафиолетовым светом, который начал сжигать или ионизировать водородный туман. Это, в свою очередь, позволило фотонам перемещаться в пространстве, делая вселенную прозрачной.

Определение типов галактик, которые доминировали в ту эпоху, получившую название Эпохи реионизации, является главной целью современной астрономии, но до разработки телескопа Уэбба ученым не хватало чувствительных инфракрасных приборов, необходимых для изучения галактик первого поколения.

"Большинство галактик, обнаруженных с помощью JWST на данный момент, являются яркими галактиками, которые редки и не считаются особенно характерными для молодых галактик, населявших раннюю вселенную", — сказал Гвидо Робертс-Борсани, аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и первый автор исследования. "Как таковые, хотя они и важны, они не считаются основными агентами, которые прорвались сквозь весь этот водородный туман."

"С другой стороны, ультратонких галактик, таких как JD1, гораздо больше, поэтому мы считаем, что они более характерны для галактик, которые провели процесс реионизации, позволяющий ультрафиолетовому свету беспрепятственно перемещаться в пространстве и времени".

Проекция галактики JD1 (врезка), которая находится за ярким скоплением галактик под названием Abell2744.
Авторы и права: Гвидо Робертс-Борсани/UCLA); оригинальные изображения: НАСА, ЕКА, CSA, Технологический университет Суинберна, Университет Питтсбурга, STScI

JD1 настолько тусклая и удаленная, что ее сложно изучать без мощного телескопа — и руки помощи от природы. JD1 расположена за большим скоплением близлежащих галактик, называемым Abell 2744, чья совокупная гравитационная сила искривляет и усиливает свет от JD1, из-за чего она кажется больше и в 13 раз ярче, чем могла бы быть в противном случае. Эффект, известный как гравитационное линзирование, похож на то, как увеличительное стекло искажает и усиливает свет в пределах своего поля зрения; без гравитационного линзирования JD1, вероятно, был бы пропущен.

Исследователи использовали прибор NIRSpec, спектрограф ближнего инфракрасного диапазона телескопа Уэбба, для получения инфракрасного светового спектра галактики, что позволило им определить ее точный возраст и расстояние от Земли, а также количество звезд и пыли и тяжелых элементов, которые она образовала за свою относительно короткую жизнь.

Сочетание гравитационного увеличения галактики и новых изображений, полученных другим прибором ближнего инфракрасного диапазона телескопа Уэбба, NIRCam, также позволило команде изучить структуру галактики с беспрецедентной детализацией и разрешением, выявив три основных вытянутых скопления пыли и газа, из которых формируются звезды. Команда использовала новые данные, чтобы отследить свет JD1 до его первоначального источника и формы, обнаружив компактную галактику, всего лишь часть размера более старых галактик, таких как Млечный Путь, возраст которого составляет 13,6 миллиарда лет.

Поскольку свету требуется время, чтобы добраться до Земли, JD1 видна такой, какой она была примерно 13,3 миллиарда лет назад, когда возраст Вселенной составлял всего около 4% от ее нынешнего.

"Всего год назад, до включения телескопа Уэбба, мы и мечтать не могли о том, чтобы подтвердить существование такой слабой галактики", - сказал Томмазо Треу, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и второй автор исследования. "Сочетание JWST и увеличительной способности гравитационного линзирования — это революция. Мы переписываем книгу о том, как образовались и эволюционировали галактики сразу после Большого взрыва ".

Исследование опубликовано в журнале Nature.