Благодаря сочетанию гравитационного искривления света и необычайной мощности JWST ученые обнаружили полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) в галактике в 12 миллиардах световых лет от Земли. Мы видим галактику SPT0418-47 такой, какой она была, когда возраст Вселенной составлял одну десятую от нынешнего возраста, и наблюдения показывают, что она уже была обогащена тяжелыми элементами и довольно сложными молекулами.
Когда ученые находят ПАУ на Земле, это обычно плохой знак. Этот набор соединений образуется в результате лесных пожаров и в выхлопных газах двигателей, хотя некоторые из них используются в качестве инсектицидов и прекурсоров для других молекул. Найти их в космосе — совсем другое дело, поскольку они указывают на важные химические процессы и некоторые ингредиенты, необходимые для создания жизни.
Обнаружение ПАУ в нашей собственной галактике стало обычным делом, но ранняя Вселенная — совсем другое дело. Теперь новое исследование изменило это. Более того, работа вышла далеко за рамки простого обнаружения. Путем картирования распределения ПАУ в SPT0418-47 в статье показано инфракрасное излучение пыльной галактики, в которой преобладало звездообразование. Исследование опубликовано в Nature.
Половина излучения звезды поглощается пылинками, которые при этом нагреваются и переизлучают энергию в инфракрасном диапазоне, где JWST может их обнаружить. ПАУ следуют за распределением пылинок миллиметрового размера в космосе и могут выступать в качестве косвенных признаков их присутствия. Они также регулируют охлаждение газа между звездными системами.
Атмосфера мешает наземным наблюдениям в инфракрасном диапазоне, и до появления космических телескопов JWST не хватало мощности для изучения распределения ПАУ в очень далеких галактиках. Наряду с JWST авторы статьи, в том числе аспирант Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне Кедар Фадке и профессор Хоакин Виейра, использовали экстремальный пример гравитационного линзирования, когда большая масса фокусирует свет от более удаленного объекта, чтобы увеличить его.
SPT0418-47 гравитационно линзируется более близкой галактикой, чтобы выглядеть в 30-35 раз больше и ярче, чем без линзы. Только сочетание такого экстремального явления линзирования и мощности JWST позволяет нам так ясно видеть такую далекую галактику на длине волны 3,3 микрометра, на которой излучаются ПАУ.
«Это исследование говорит нам прямо сейчас — и мы все еще учимся — это то, что мы можем видеть все регионы, где расположены эти более мелкие пылинки — регионы, которые мы никогда не могли видеть до JWST», — сказал Фадке.
Распределение ПАУ и мелких частиц показывает другую картину, чем более крупные пылинки, ответственные за излучение в дальнем инфракрасном диапазоне, с соотношением между ними, различающимся в пять раз.
Это также показывает, что большая часть инфракрасного излучения SPT0418-47 исходит не от аккреционного диска вокруг черной дыры, как в случае с квазарами, а излучается звездами.
«Мы не ожидали этого. Обнаружение этих сложных органических молекул на таком огромном расстоянии меняет правила игры в отношении будущих наблюдений. Эта работа — только первый шаг, и мы только сейчас учимся использовать ее и изучаем ее возможности. Мы очень рады видеть, как это разыгрывается», — сказал Виейра.
Ученые пока не знают, является ли SPT0418-47 типичным для галактик этой эпохи в измеренных значениях или выбросом. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно либо найти намного больше галактик с удобно расположенной более близкой галактикой, которая могла бы создать гравитационную линзу, либо построить телескоп еще более мощный, чем JWST.