Кожна галактика — це трохи більше, ніж сума її зір. Між зорями висить тонка завіса з пилу: дрібних твердих частинок розміром менше мікрометра, які утворюються з важких елементів, синтезованих усередині зір. Ця завіса не пасивна. Вона поглинає й розсіює світло галактики, причому робить це по-різному залежно від довжини хвилі — і саме тому те, що бачить телескоп, часто відрізняється від того, що галактика випромінює насправді.
Команда під керівництвом Владана Маркова з колегами з Італії опублікувала в Nature Astronomy дослідження, яке вперше простежує, як властивості цього пилу змінювалися протягом мільярдів років космічної історії. В основі роботи — дані 173 галактик, зафіксованих телескопом James Webb у діапазоні червоних зміщень z = 2–12. Це охоплює період від відносно зрілого Всесвіту до перших сотень мільйонів років після Великого вибуху.
Крива поглинання як відбиток пилу
У сучасному Всесвіті криву поглинання світла пилом, яку астрономи позначають Aλ, зазвичай описують сумою двох компонентів: плавної степеневої залежності та так званого ультрафіолетового «горба» — локального піку поглинання, який створюють дрібні вуглецеві зерна. Такий горб добре відомий у пилу нашої Галактики та сусідніх галактик.
Питання, яке лишалося відкритим: чи існував цей горб у ранньому Всесвіті, і якщо так — коли саме він з'явився. Відповідь вимагала спостережень галактик на дуже великих відстанях, а отже — з дуже великим червоним зміщенням, що стало можливим завдяки чутливості JWST в інфрачервоному діапазоні. Дослідники також залучили дані спостережень ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) для доповнення картини.
Горб на z ≈ 7,55 і його поступове зникнення
Ключовий результат дослідження — виявлення ультрафіолетового горба в галактиці з червоним зміщенням z ≈ 7,55. Це означає, що ми бачимо цю галактику такою, якою вона була лише через приблизно 700 мільйонів років після Великого вибуху — менше 5% від нинішнього віку Всесвіту.
Аналіз усього масиву з 173 галактик показав чітку тенденцію: і сила горба, і нахил степеневої частини кривої поглинання зменшуються з ростом червоного зміщення, тобто в бік дедалі раніших епох. Іншими словами, чим давніша галактика, тим простіша й «плоскіша» форма кривої поглинання її пилу.
Наднові як перші фабрики пилу
Автори пропонують пояснення, засноване на фізиці утворення пилових зерен. У ранньому Всесвіті головним джерелом пилу є наднові — вибухи масивних зір, які збагачують міжзоряне середовище важкими елементами. Наднові викидають переважно великі зерна пилу.
Проблема в тому, що ці зерна ще не встигли пройти обробку в міжзоряному середовищі — процес, який подрібнює великі частинки та ускладнює їхню хімічну структуру. Для цього просто бракує часу: Всесвіту віком 700 мільйонів років ще не вистачило космічної історії, щоб «дозріти» такий пил. Саме тому крива поглинання виглядає плоскою, а горб — слабким або відсутнім.
Пізніше, з розвитком галактик, зерна пилу поступово дрібнішають і набувають складнішого хімічного складу за рахунок процесів переробки в міжзоряному середовищі. Саме тоді формується виразний ультрафіолетовий горб, який ми спостерігаємо в сучасних галактиках, включно з нашою власною.
Дослідження є першою систематичною спробою простежити еволюцію пилового поглинання від перших галактик до пізніших космічних епох. Результат важливий не лише сам по собі — він задає рамку для інтерпретації спостережень JWST інших ранніх галактик, де неправильні припущення щодо пилу можуть спотворювати оцінки їхньої яскравості, маси зір чи темпів зореутворення.
