JWST выхватывает одну звезду из галактики, возрастом 12,5 млрд лет

После первого года работы JWST выполнил одну из своих основных задач: наблюдение за первыми звездами и галактиками, населяющими Вселенную. Обсерватория нового поколения достигла этой цели, установив новые рекорды расстояний и открыв галактики, существовавшие менее чем через 1 млрд. лет после Большого взрыва.

Эти исследования необходимы для составления схемы эволюции космоса и решения проблем, связанных с космологическими моделями, такими как постоянная Хаббла, загадки темной материи и темной энергии. Но ситуация вышла на новый уровень удивительности! В недавнем исследовании международная группа ученых выделила в одной из галактик хорошо увеличенную звезду-кандидата, которая выглядит так, как она выглядела почти 12,5 млрд. лет назад. Обнаружение звезды, существовавшей, когда возраст Вселенной составлял всего около 1,2 млрд. лет, демонстрирует возможности JWST и дает представление о том, что нас ждет в будущем.

Исследование проводилось под руководством Лукаса Фуртака (Lukas J. Furtak), постдокторанта кафедры экспериментальной астрофизики Университета имени Бен-Гуриона в Негеве. В состав возглавляемой им международной группы вошли астрономы и астрофизики из Центра космического рассвета (DAWN), Научного института космического телескопа (STScI), Ассоциации университетов по исследованиям в области астрономии (AURA), Национальный исследовательский совет Испании (CSIS), Центр внегалактической астрономии, Физический институт Рака, Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики (CfA), Лаборатория обсервационной космологии Центра космических полетов имени Годдарда НАСА и другие.

Наблюдения Хаббла и JWST за некоторыми из самых ранних галактик во Вселенной позволили получить богатую информацию, которая опровергла и подтвердила существующие модели космологической эволюции. К сожалению, как отмечают авторы исследования, непосредственное наблюдение отдельных звезд на таких расстояниях невозможно, поскольку они слишком тусклы по сравнению с окружающими их галактиками. Но ученые продемонстрировали, что звезды можно наблюдать с помощью гравитационного линзирования - метода, при котором массивный объект на переднем плане усиливает свет от более удаленного объекта.

Этот эффект, предсказанный общей теорией относительности Эйнштейна, возникает, когда гравитационная сила массивных объектов изменяет кривизну пространства вокруг них. В последние годы этот метод позволил астрономам идентифицировать несколько десятков звезд в полях сильных линзирующих звездных скоплений, а JWST уже обнаружил несколько. Для своего исследования команда использовала изображения, полученные камерой ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam), которая запечатлела галактическое скопление MACS0647 в течение первого года работы в рамках программы 1433 цикла 1 General Observers (GO).

Как сообщил Фуртак, это большое достижение, поскольку исследования линзированных звезд традиционно сосредоточены на высокоскоростных галактиках:

"Изучение отдельных линзированных звезд на космологических расстояниях - это относительно новая область, интерес к которой возрос в последние годы благодаря феноменальным возможностям космических телескопов Хаббл и Джеймс Уэбб. Обычно отдельные звезды можно наблюдать только в нашей Галактике и ее ближайших соседях, в то время как на больших космологических расстояниях мы видим только целые галактики.

Но эффект гравитационного линзирования, когда массивные объекты отклоняют свет от фоновых источников и увеличивают его, может изменить ситуацию, если одиночная звезда в линзированной фоновой галактике случайно пересечет так называемую критическую линию, которая представляет собой область, где гравитационное увеличение достигает экстремальных значений. При правильном выравнивании это позволяет наблюдать одиночные звезды в далеких галактиках.

Гравитация этого массивного скопления создает мощную линзу, которая уже была использована для идентификации галактики JD с тройной линзой, имеющей красное смещение z=11. Это соответствует видимому расстоянию 13,4 млрд. световых лет назад, то есть сегодня она выглядит так же, как и тогда, когда возраст Вселенной составлял менее 500 млн. лет. Используя эту же линзирующую галактику, специалисты получили спектры отдельной звезды с z=4,76 (MACS0647-star-1), находящейся на видимом расстоянии около 12,35 млрд. лет назад, и проанализировали их, чтобы определить свойства звезды.

Впервые звезда была обнаружена в 2022 году по данным NIRCam, установленного на Уэббе, о чем сообщалось в статье доктора Ашиша Мина из Университета Бен-Гуриона.

[MACS0647- star-1] была идентифицирована как таковая на основании положения в сильно линзированной и искаженной фоновой галактике очень близко или даже на вершине критической линии, т.е. в области, где увеличение гравитационного линзирования достигает экстремальных значений. В этом же исследовании была обнаружена и более слабая вторая звезда - MACS0647-star-2. На основе фотометрии в нескольких широкополосных фильтрах звезда MACS0647-star-1 была идентифицирована как звезда-кандидат в сверхгиганты B-типа с температурой поверхности около 10 000 К.

Несколько месяцев спустя Фуртак и его команда получили спектры MACS0647-star-1 с помощью спектрометра ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) телескопа Уэбба в рамках более масштабной кампании по наблюдению всего линзирующего скопления. Спектры позволили точно измерить красное смещение звезды MACSO647-star-1, на основании чего были получены оценки расстояний, которые показали, что звезда существовала, когда возраст Вселенной составлял всего 1,2 млрд. лет.

Фуртак соббщил: "Если фотометрические измерения, полученные при съемке, соответствовали одной звезде-сверхгиганту B-типа, то с учетом спектра, который видим сейчас, мы должны наблюдать либо две звезды - одну B-типа и одну более холодную F-типа, либо горячую звезду B-типа, свет которой покраснел из-за пыли где-то на линии визирования. Последнее объяснение представляется более вероятным. Тем не менее, при нынешнем спектре мы не можем полностью исключить возможность того, что это не одиночная звезда, а целое звездное скопление".

Чтобы получить более полное представление о том, что показал Уэбб, необходимы последующие наблюдения линзирующей галактики MACS0647. В частности, необходимо получить гораздо более глубокие спектры и более высокое спектральное разрешение для более четкого измерения линий поглощения. Тем не менее, эти результаты, скоро станут обычным явлением, поскольку Уэбб продолжает изучать звезды и галактики, существовавшие в ранней Вселенной. К настоящему времени Хаббл наблюдал несколько линзированных звезд на космологических расстояниях: первая (Икар) была обнаружена Хабблом в 2018 году, а последняя (Эарендель) - в 2022 году.

Основываясь на том, что было обнаружено Уэббом всего за первый год наблюдений, ожидается, что JWST будет находить линзированные звезды с частотой одна на каждое наблюдаемое скопление галактик. Уже обнаружено несколько линзированных звезд, в том числе MACS0647-star-1, которая стала второй по дальности наблюдения на сегодняшний день. Это дает дразнящее представление о том, что нас ждет впереди.

Исследование определенно показывает, что JWST обладает инструментальными возможностями не только для обнаружения линзированных звезд в ходе кампаний по визуализации, но и для получения их спектров с помощью NIRSpec. Это второй в истории спектр линзированной звезды, полученный с помощью JWST, и первый космический. Например, недавно был также получен спектр самой далекой звезды Эарендель, который будет опубликован в ближайшее время. В будущих наблюдательных кампаниях ученые смогут систематически отслеживать обнаруженные NIRCam линзированные звезды, если они являются постоянными источниками, с помощью спектроскопии NIRSpec для получения данных об их свойствах.

Кроме того, данное исследование основано на относительно коротком времени экспозиции JWST (около 2 часов), в то время как Уэбб вполне способен достичь гораздо более высокого отношения сигнал/шум за счет более длительного времени экспозиции, то есть будущие наблюдения NIRSpec вполне могут позволить обнаружить особенности поглощения в линзированных звездах, по крайней мере, в самых ярких из них. Заметим, что это также стало убедительным научным аргументом для будущих телескопов 30-метрового класса, таких как ESO ELT, которые смогут достичь таких же чувствительности и разрешения, как и телескоп Джеймса Уэбба, хотя и на несколько меньших длинах волн.