Коли астрономи складали каталог SHELLQs — програму пошуку квазарів на найбільших відстанях — два об'єкти, J1450-0144 і J1429-0104, потрапили туди як слабкі квазари. Обидва світяться настільки яскраво (M_UV≈−23,5), що логічно було приписати цю світність чорній дірі, яка активно поглинає речовину. Але нові спостереження телескопом James Webb показали: перед нами не квазари, а галактики, що б'ють рекорди яскравості завдяки надзвичайно масивним зорям.

J1450-0144 спостерігається на червоному зміщенні z=6,627, що відповідає епосі, коли вік Всесвіту становив приблизно 800 мільйонів років. J1429-0104 ще давніший — z=6,796. Обидва об'єкти належать до так званої "епохи реіонізації" — періоду, коли перші зорі та галактики іонізували нейтральний водень, що заповнював молодий Всесвіт.

Що показав спектрограф NIRSpec

Прилад NIRSpec телескопа James Webb дав детальний спектр обох джерел. Замість типового для квазарів яскраво-червоного континууму з широкими емісійними лініями від навколишнього газу, дослідники побачили блакитний UV-континуум і вузькі небулярні лінії — ознаки, характерні саме для зоряного світла, а не для акреційного диска чорної діри.

Найважливішою знахідкою стала широка емісія гелію He II на довжині хвилі 1640 ангстрем, з еквівалентною шириною 8,8±1,2 ангстрема для J1450-0144 і 3,7±1,1 ангстрема для J1429-0104. Одночасно в лініях азоту (N V), кремнію (Si IV) та вуглецю (C IV) виявили так звані профілі П Сіні (P Cygni) — комбінацію поглинання й випромінювання, що виникає у потужних зоряних вітрах. Такий набір ознак — сильний гелій плюс виражені вітрові профілі — практично не трапляється у стандартних моделях зоряних популяцій.

Зорі масою у сотні сонць

Дослідники перевірили спеціальні моделі, які враховують так звані дуже масивні зорі (VMS) — об'єкти масою понад 100 мас Сонця з окремими розрахунками зоряних вітрів. Тільки ці моделі змогли одночасно відтворити і силу лінії гелію, і форму профілів П Сіні в обох галактиках.

За цими моделями, для J1450-0144 епізод активного зореутворення тривав усього 2-4 мільйони років — миттєвість за космічними мірками. Для J1429-0104 діапазон допустимих тривалостей ширший. Маси зоряного населення оцінили як log(M*/M_сонця)≈9,2-9,9, а темпи зореутворення сягають 300-540 мас Сонця на рік — величезна швидкість народження нових зір навіть за мірками ранніх галактик.

Окремо цікаво, наскільки масивними можуть бути найважчі зорі в цих системах. За еквівалентними ширинами ліній для J1429-0104 отримали нижню межу М_верх щонайменше 225 мас Сонця. Для J1450-0144 показники виявились настільки екстремальними, що вийшли за межі всієї доступної сітки моделей — аж до 475 мас Сонця.

Що показала ALMA

Окрім спектроскопії, команда отримала дані наземного інтерферометра ALMA в діапазоні Band-6, спрямовані на лінію іонізованого вуглецю [CII] на довжині хвилі 158 мікрометрів — стандартний індикатор холодного газу в далеких галактиках. Обидві системи показали помітне випромінювання [CII]: світність приблизно 0,8×10⁹ і 4,1×10⁹ світностей Сонця для J1450-0144 та J1429-0104 відповідно.

У J1429-0104 додатково зафіксували яскраве випромінювання пилового континууму. Причому і пил, і газ [CII] виявилися зміщені приблизно на 5,4 тисячі парсек від видимого UV-світіння галактики — це вказує на складнішу, ймовірно неоднорідну просторову структуру системи, ніж проста компактна галактика чи диск навколо чорної діри.

Чому це важливо

Автори дослідження підкреслюють: там, де функції світності галактик і квазарів перетинаються — тобто в області найяскравіших об'єктів раннього Всесвіту, — класифікація джерел стає неоднозначною. J1450-0144 і J1429-0104 демонструють, що дуже масивні зорі здатні живити частину найяскравіших UV-джерел на світанку космічної історії. Це означає, що частину об'єктів, які раніше зараховували до популяції слабких квазарів, доведеться перекласифікувати, а разом із цим — переглянути й оцінки чисельності як галактик, так і квазарів у найяскравішій частині розподілу епохи реіонізації.