Астрономи виявили два незвичайні об'єкти на відстані, що відповідає віку Всесвіту менш ніж мільярд років: галактики, які впевнено видно в радіодіапазоні, але які майже неможливо помітити навіть найчутливішим інфрачервоним телескопом сучасності — JWST.
Об'єкти знайшли в рамках двох узгоджених програм. ASPIRE — це медіум-програма JWST першого циклу спостережень, яка вивчає 25 квазарів (надяскравих активних ядер галактик) і їхнє найближче оточення на червоному зміщенні z ≈ 6,5–6,8. Паралельно ті самі поля неба спостерігав радіотелескопний комплекс ALMA (Атакамська велика міліметрова/субміліметрова решітка) в рамках великої програми дев'ятого циклу. Комбінація двох інструментів дала змогу побачити те, чого не видно кожному окремо.
Галактики, яких "не існує" для NIRCam
Обидва об'єкти виявилися компаньйонами ультрафіолетово-яскравих квазарів — тобто розташовані в тому самому регіоні неба і на тому самому червоному зміщенні z = 6,6. В даних ALMA вони видно чітко: є впевнений сигнал у континуумі (тепловому випромінюванні пилу) і в лінії [C II] — характерній спектральній лінії іонізованого вуглецю, яку часто використовують як індикатор газу в далеких галактиках.
А от у знімках камери NIRCam на борту JWST, яка працює в ближньому інфрачервоному діапазоні, ці галактики практично не проявляються. Їхня яскравість слабша за 28,0 зоряної величини у фільтрі F356W — межа, за якою навіть найглибші знімки JWST вже не розрізняють об'єкт від фону. Автори дослідження запропонували для таких об'єктів термін "NIRCam-dark" — темні для NIRCam.
Чому їх не видно: товстий шар пилу
Причина невидимості — не відстань і не слабкість самого джерела випромінювання, а поглинання світла міжзоряним пилом усередині самої галактики. За оцінками авторів, оптична глибина поглинання (AV) в цих об'єктах сягає близько 7,5 зоряної величини. Для порівняння: класична запилена зореутворювальна галактика Arp220 у локальному Всесвіті, яку довгий час вважали еталоном "екстремально запиленого" об'єкта, поступається цим галактикам за рівнем обскурації.
Темп зореутворення в цих галактиках оцінюється в 80–250 мас Сонця на рік — це відповідає активним "спалахам" зореутворення (старбертам). Але майже вся енергія, яку випромінюють молоді зорі в ультрафіолеті й видимому світлі, поглинається пилом і перевипромінюється в далекому інфрачервоному та субміліметровому діапазонах. Саме тому такі галактики систематично випадають зі звичайних оптичних і навіть інфрачервоних оглядів неба — їх можна побачити лише завдяки цілеспрямованим спостереженням у міліметровому діапазоні, як робить ALMA.
Важливо, що такі об'єкти зазвичай пропускають і субміліметрові огляди "порожнього поля" (blank-field surveys), які не прив'язані до відомих яскравих джерел на кшталт квазарів. Без квазара-маркера, який вказав, куди дивитися, ці галактики, ймовірно, залишилися б непоміченими.
Ланка в еволюції масивних галактик
Аналіз історії зореутворення (SFH) цих двох об'єктів показав, що вони можуть бути правдоподібними проміжними стадіями в еволюції масивних галактик Всесвіту. З одного боку, вони виглядають як можливі прямі попередники масивних "мертвих" галактик (quiescent galaxies) — тих, що вже погасили зореутворення, — які спостерігаються на z ≳ 4. З іншого боку, вони можуть бути нащадками ультрафіолетово-яскравих галактик, виявлених на ще раніших епохах, z > 10.
Оцінити точну чисельність таких об'єктів складно, бо вибірка побудована на основі оточення квазарів, а не репрезентативного огляду всього неба. Проте, застосувавши спрощену модель заселення темних гало (light halo occupation model), автори оцінили можливу просторову щільність NIRCam-dark галактик на рівні n ∼ 10⁻⁵·⁵ Мпк⁻³.
Якщо це вірно, ця цифра дорівнює приблизно 30% від чисельності як "мертвих" галактик на z ≳ 4, так і ультрафіолетово-яскравих галактик на z > 10
Іншими словами, значна частка населення масивних галактик ранньої Всесвітньої історії може досі залишатися прихованою від наших телескопів — саме через пил.
Що далі: пошук "JWST-dark" галактик
Автори роблять ще один крок наперед у своєму прогнозі. Виходячи з історії зореутворення масивних "мертвих" галактик, подібні запилені старберти мають існувати не лише на z = 6,6, а й раніше — приблизно на z ~ 8. Але там вони, ймовірно, будуть ще слабші й опиняться за межею чутливості навіть найглибших сучасних оглядів JWST і ALMA. Тобто такі об'єкти перестануть бути просто "NIRCam-dark" і стануть повністю "JWST-dark" — невидимими для будь-якого з наявних інструментів по-окремо.
Щоб простежити повну картину еволюції масивних галактик і запиленого зореутворення на z ≳ 8, знадобляться нові широкопольні огляди — як фотометричні знімки JWST/NIRCam, так і безщілинна спектроскопія, спрямована саме на ранні протокластери, де такі рідкісні запилені об'єкти найімовірніше зустрічаються поряд із яскравими квазарами чи іншими масивними структурами.
