Близкая карликовая галактика оказалась похожа на галактики молодой Вселенной

Астрономы изучили близкую к Млечному Пути карликовую галактику J2229+2725 с экстремально низкой металличностью и высоким темпом образования новых звезд. Основываясь на измерениях силы спектральных линий элементов, ученые предположили, что в галактике не просто наблюдается недавняя вспышка звездообразования, но и сама она совсем молода по астрономическим меркам. По мнению астрономов, J2229+2725, по совокупности свойств, может служить наилучшим модельным объектом для изучения свойств карликовых галактик Эпохи реионизации из ранней истории Вселенной. Работа будет опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Современному этапу развития Вселенной, известному как Эра вещества, предшествовало появление первых квазаров, звезд и галактик в Эпоху реионизации, начавшуюся спустя около 200–500 миллионов лет после Большого Взрыва. Сама же Эпоха реионизации началась после Темных веков, к концу которых Вселенная уже достаточно расширилась, чтобы сильно остыть и состояла из холодных (менее 10 кельвин) облаков нейтрального газа (водорода и гелия) с редкими звездами. К концу Темных веков, с массовым появлением ярких источников света, начался сначала нагрев, а потом и постепенная ионизация (повторная, реионизация) вещества, длившиеся около 400–500 миллионов лет. Значительная доля коротковолнового излучения, вызывавшего ионизацию, поступала от первых небольших галактик с высоким темпом звездообразования. Сейчас астрономам довольно сложно напрямую изучать эти галактики, так как они расположены от нас на огромном расстоянии (около 13 миллиардов световых лет или, в величинах красного смещения, от z ≈ 5 до z ≈ 10). Изображения таких галактик, полученные даже на лучших телескопах, слабо детализированы.

Впрочем, за последнее десятилетие было открыто несколько близких галактик, которые похожи по свойствам на отдаленные и древние галактики во времена их молодости. Они маломассивны (менее 10 миллионов солнечных масс), компактны и сочетают высокий темп звездообразования с очень низкой металличностью. Такие близкие галактики могут служить хорошими модельными объектами для более полного понимания процессов в молодой Вселенной.

Астрономы из США и Украины под руководством Юрия Изотова (Yuri Izotov) из Института теоретической физики имени Боголюбова провели наблюдения близкой (z ≈ 0,08) галактики подобного типа, J2229+2725, выбранной в качестве кандидата из базы данных Слоуновского цифрового обзора неба (SDSS) версии DR16. Основные наблюдения велись на Большом бинокулярном телескопе на горе Грэхем в США в диапазоне от 320 до 1000 нанометров. Использовались спектрографы MODS1 и MODS2. Также были получены спектры на 3,5-метровом телескопе Обсерватории Апачи-Пойнт в США спектрографом DIS.

Как выяснили астрономы, J2229+2725 — галактика с чрезвычайно низкой металличностью. Содержание металлов (в астрономии — элементы тяжелее гелия) оценивалось по силе линий излучения кислорода, азота и других элементов. Мощность излучения по линии трижды ионизированного кислорода (OIII, λ = 500 нанометров) оказалась менее 1/3 от мощности по линии водорода Hβ. А по линии дважды ионизированного азота (NII, λ = 658 нанометров) излучение было слабее чем по линии Hα более чем в 100 раз. Оба этих значения весьма малы.

Ученые обнаружили также рекордно высокое значение параметра O32. который определяется через отношение силы линий излучения трех- и двукратно ионизированного кислорода (OIII, λ = 500 нанометров и OII, λ = 373 нанометра). Для известных похожих галактик параметр O32 составляет от 22 до 39, но у J2229+2725 он оказался равен 53. По мнению авторов, это говорит о том что в этой галактике компактные области звездообразования. В таком случае, с большой вероятностью, J2229+2725 — представитель галактик-излучателей коротковолнового ультрафиолета из области Лаймановского континуума (с длиной волны менее 91 нанометра). Именно такое жесткое излучение в больших количествах могли испускать древние галактики в Эпоху реионизации, вызывая ионизацию огромных масс газа (в десятки раз превосходящих собственную).

Рекордной в спектре J2229+2725, для подобных галактик, оказалась и эквивалентная ширина линии Бальмера Hβ — 57 нанометров, а соотношение масса/светимость было чрезвычайно низким (0,017 в солнечных единицах). Оба параметра указывают на недавний всплеск звездообразования и наличие большого количества горячих и очень молодых (около двух миллионов лет) массивных звезд. А присутствие в спектре значительной доли (2,1 процента от мощности по линии Hβ) излучения двукратно ионизированного гелия (HeII, λ = 469 нанометров) выдаёт наличие жёсткой ионизирующей радиации, и сильно разогретого (около 25000 кельвин) плотного газа.

Все это позволило ученым предположить, что J2229+2725 не просто испытывает недавнюю вспышку звездообразования, но и сама галактика при этом очень молода. Авторы считают, что J2229+2725, с учетом ее крайне низкой металличности и подходящих размеров, возможно, наилучший модельный объект для изучения древних компактных галактик Эпохи реионизации из всех известных.

Соотношение параметра масса/светимость и общей массы галактик. Горизонтальными линиями показаны отметки возраста для галактик, наклонными линиями - темп звездообразования (в солнечных массах в год). J2229+2725 - молодая галактика с интенсивным звездообразованием

Впрочем, хотя J2229+2725 и подобные ей галактики и могут считаться хорошими аналогами древних галактик, но лишь с известной долей приближения. Прямые наблюдения за участниками тех событий более важны.