Принято считать, что первые галактики формировались в результате гравитационного коллапса газопылевых облаков, состоящих в основном из водорода и гелия — легких химических элементов, возникших практически сразу после Большого взрыва. А вот тяжелые элементы, такие как кислород, углерод или железо, согласно космологическим моделям, появились гораздо позже. Они — продукт «звездной алхимии», результат термоядерных реакций в недрах массивных светил или взрывов сверхновых. Иными словами, для образования кислорода нужны были светила, которые в ранней Вселенной практически отсутствовали.

До недавнего времени астрономы полагали, что через сотни лет после Большого взрыва галактики были слишком молоды, чтобы накопить значительное количество тяжелых элементов. Однако JADES-GS-z14-0, открытая с помощью спектрографа ближнего инфракрасного диапазона NIRSpec космического телескопа «Джеймса Уэбба» в 2024 году, изменило это мнение. JADES-GS-z14-0 расположена в направлении созвездия Печь, а возникла она спустя 300 миллионов лет после Большого взрыва. 

Две независимые международные команды астрономов использовали массив радиотелескопов ALMA в чилийской пустыне Атакама, чтобы изучить спектр излучения JADES-GS-z14-0. В нем они обнаружили четкие следы кислорода. Это самая далекая и древняя галактика, где когда-либо находили тяжелые элементы.

По словам ученых, сделавшим открытие, JADES-GS-z14-0 не только сформировалась очень быстро, но и химически развилась гораздо раньше, чем ожидалось.

Статья по теме: Гигантская звезда изменилась до неузнаваемости всего за несколько лет

Данные ALMA показали, что JADES-GS-z14-0 содержит в десять раз больше тяжелых элементов, чем предсказывали модели. Кислород в ней присутствовал практически сразу с момента ее образования — через 300 миллионов лет после рождения Вселенной. Если столь молодая галактика уже в то время была насыщена кислородом, значит, процесс звездообразования и химического обогащения во Вселенной шел гораздо быстрее. Это говорит о том, что первые звезды сформировались, прожили короткие жизни и взорвались, обогатив галактику этими элементами, намного раньше, чем предполагалось.

Открытие стало возможным благодаря точности ALMA. Массив радиотелескопов измерил расстояние до галактики с погрешностью 0,005% — это сравнимо с определением положения карандаша на расстоянии километра. Уточненное значение красного смещения (14,18) подтвердило, что JADES-GS-z14-0 — рекордсмен по удаленности среди известных галактик.

«‎Если галактики созревали так быстро, наши модели их формирования требуют пересмотра. Возможно, звездообразование в первые эпохи шло интенсивнее, чем мы думали», — пояснил итальянский астроном Стефано Карнини (Stefano Carniani) из Высшей Нормальной Школы в Пизе, один из авторов исследования.

Обнаружение кислорода в JADES-GS-z14-0 не просто побило рекорд — оно заставило астрономов задуматься о новых сценариях эволюции галактик. Ученые планируют искать другие древние галактики с помощью телескопов ALMA и «‎Джеймса Уэбба», чтобы понять, была ли JADES-GS-z14-0 исключением или частью неизвестного ранее этапа космической истории.

С результатами исследования можно ознакомиться в двух статьях, опубликованных в журнале Astronomy and Astrophysics и The Astrophysical Journal.