Приблизно через кілька сотень мільйонів — мільярд років після Великого вибуху Всесвіт пережив одну з найважливіших своїх трансформацій — епоху реіонізації. Перші зорі й галактики почали заливати простір між собою потужним ультрафіолетовим випромінюванням — лаймана-континуумом (LyC), яке поступово перетворило нейтральний водень міжгалактичного середовища на іонізований газ. Проблема в тому, що механізм, який дозволяв цьому випромінюванню взагалі вирватися з галактик, досі до кінця не зрозумілий: звичайний газ і пил усередині галактик зазвичай поглинають таке жорстке випромінювання, не даючи йому потрапити назовні.
Одна з найпопулярніших гіпотез — злиття галактик. Коли дві галактики зближуються і взаємодіють гравітаційно, це перемішує їхній міжзоряний газ і провокує спалахи інтенсивного зореутворення. Молоді гарячі зорі народжуються масово й швидко, а супутні припливні хвости — витягнуті струмені газу, вирвані гравітацією одного диска з іншого, — можуть підтримувати короткі, але дуже інтенсивні спалахи народження зір. Газу в таких хвостах небагато, тож він швидко вигоряє, і молодим зорям, що там утворилися, стає просто нічим прикритися: іонізуюче випромінювання безперешкодно летить у міжгалактичний простір.
Два кандидати, одна перевірка
До появи James Webb перевірити цю гіпотезу спостережно було складно — бракувало просторової та спектральної роздільної здатності, щоб чітко розділити внесок різних частин зливної системи. Команда під керівництвом Шеньчже Вана (Університет Китайської академії наук) скористалася можливостями JWST, щоб детально дослідити два кандидати в LyC-витікачі, знайдені раніше на знімках Hubble в рамках огляду LACES (LymAn Continuum Escape Survey). Обидва об'єкти розташовані на червоному зміщенні z≈3,1 — це відповідає епосі приблизно за 2 мільярди років після Великого вибуху.
За допомогою спектрографа NIRSpec у режимі інтегрального польового блоку (IFU), який дозволяє одночасно отримувати спектр для кожної точки зображення, дослідники ретельно виміряли емісійні лінії в обох об'єктах. Результат виявився не на користь однієї з гіпотез: LACES94460 довелося виключити зі списку. Те, що на знімках Hubble виглядало як витік іонізуючого випромінювання, насправді виявилося накладенням сигналу від зовсім іншого об'єкта з меншим червоним зміщенням — тобто ближчого до нас і не пов'язаного з досліджуваною галактикою.
Скупчення в хвості, що втрачає майже все своє світло
Другий кандидат, LACES104037, підтвердився повністю. Спектроскопія JWST показала, що це система на ранній стадії злиття з двома основними взаємодіючими галактиками — LACES104037-bulk і LACES104037s, — з'єднаними структурою припливного хвоста. Саме в цьому хвості, у ділянці, названій LACES104037-LyC, і зафіксовано вихід іонізуючого випромінювання.
Поєднавши дані спектроскопії та фотометрії з попередніх досліджень, команда змоделювала фізичні властивості цього скупчення. Виявилося, що зорі там мають вік лише близько 5 мільйонів років — надзвичайно молода популяція за космічними мірками. А частка іонізуючих фотонів, яким вдається вирватися з цього скупчення в міжгалактичне середовище, становить приблизно 0,99, тобто майже все випромінювання. Це вказує на те, що спалах зореутворення, викликаний злиттям, може бути надзвичайно ефективним способом накачувати простір між галактиками високоенергетичними фотонами.
LACES104037-LyC став першим підтвердженим прикладом свого роду: зовнішнім, окремим від основних дисків скупченням зореутворення в припливному хвості, яке відповідає за практично весь витік іонізуючого випромінювання системи. Раніше подібні джерела або не вдавалося виокремити просторово, або їхній внесок губився на тлі загального сигналу від галактики.
Це відкриття не закриває питання про те, як саме Всесвіт пройшов реіонізацію — механізм усе ще потребує підтвердження на більшій вибірці об'єктів. Але воно показує конкретний, спостережно підтверджений сценарій: злиття галактик здатні породжувати відокремлені зоряні скупчення, які працюють як практично ідеальні "прожектори" іонізуючого випромінювання. Автори сподіваються, що майбутні спостереження з високою роздільною здатністю виявлять більше таких згустків усередині зливних систем і дадуть глибше розуміння цього важливого етапу еволюції Всесвіту.
