Ранняя Вселенная оказалась «грязнее», чем считалось: тяжелые элементы начали утекать через 300 млн лет после Большого взрыва

Всего через 500 млн лет после Большого взрыва, когда возраст Вселенной составлял примерно 3% от нынешнего, первые галактики уже выбрасывали в окружающее пространство кислород, углерод и кремний. Это открытие, основанное на наблюдениях космического телескопа «Джеймс Уэбб», заставляет пересмотреть традиционные представления о химической эволюции молодой Вселенной.

Три «капсулы времени» раскрыли тайну

Исследовательская группа сосредоточилась на трех чрезвычайно далеких галактиках. Их свет шел до Земли более 13 млрд лет, а значит, мы видим их такими, какими они были всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Почти 30 часов глубокой экспозиции с помощью «Джеймса Уэбба» позволили уловить слабые следы тяжелых элементов в спектрах этих галактик. Ключевой момент: сигналы показали, что газ движется наружу — галактики не являются замкнутыми системами, они «выдыхают» вещество в окружающее пространство. Что еще более удивительно, химический состав этих ранних галактик уже напоминал состав гораздо более поздних, эволюционировавших систем.

В первые мгновения существования Вселенной в пространстве были лишь водород и гелий. Гравитация сжимала облака первичного газа в звезды, где под огромным давлением и температурой рождались более сложные элементы. Когда звезды погибали, они рассеивали эти элементы по космосу. Углерод в наших телах и кислород, которым мы дышим, созданы именно так. Но до сих пор было неясно, когда именно тяжелые элементы начали покидать самые первые галактики. Новые данные дают ответ: гораздо раньше, чем предполагалось.

Почему «звезды первого поколения» никак не найдут

Это открытие объясняет и давнюю загадку: почему до сих пор не обнаружены звезды третьего поколения — те самые первые светила, состоящие исключительно из первичного водорода и гелия.

Причин несколько. Согласно теоретическим моделям, звезды третьего поколения были чрезвычайно массивными — возможно, в сотни раз тяжелее Солнца, — но жили всего несколько миллионов лет, после чего взрывались как сверхновые. Телескоп «Джеймс Уэбб», при всей своей мощности, с трудом может разглядеть настолько далекие и настолько недолговечные объекты. Сегодня стратегия поиска сместилась в сторону косвенных методов: ученые ищут интенсивные линии излучения ионизированного гелия, экстремально голубой ультрафиолетовый континуум и другие признаки, указывающие на галактики, где доминируют звезды третьего поколения. В 2025 году галактика под названием GLIMPSE-16043 считалась лучшим кандидатом: она появилась, когда Вселенной было около 850 млн лет, и ее спектральные характеристики хорошо совпадали с теоретическими предсказаниями. Однако последующий спектральный анализ выявил в ее сигнале линию кислорода. Это означает, что галактика не была абсолютно «чистой», и ее статус как объекта, где господствуют звезды третьего поколения, был исключен.

Если галактики уже через 500 млн лет после Большого взрыва активно выбрасывали тяжелые элементы, то временное окно для формирования и существования «абсолютно чистых» звезд оказывается крайне узким. Они либо не успевали возникнуть на достаточно большой площади и просуществовать достаточно долго, либо после формирования быстро «загрязнялись» окружающей средой, и любой сигнал от них смешивался с вкладом более поздних звезд. Иными словами, звезды третьего поколения, вероятно, существовали, но были настолько кратковременными и редкими, что при текущих возможностях наблюдений их чрезвычайно трудно выделить.

Галактики обмениваются веществом

Обмен веществом между галактиками называется барионным циклом. Галактики — не изолированные миры, а части единой космической экосистемы. Они втягивают холодный газ из окружающего пространства, формируя новые звезды, а когда те погибают, выбрасывают обогащенный тяжелыми элементами газ через взрывы сверхновых или звездный ветер. Этот газ затем подхватывается другими галактиками. В ранней Вселенной такой «обмен веществом» был гораздо активнее, чем считалось ранее. При этом обогащение металлами происходило неравномерно: газ вблизи зон звездообразования быстро насыщался тяжелыми элементами, тогда как более удаленные области могли долгое время оставаться первичными. Эта неоднородность означает, что формирование звезд третьего поколения и обычных звезд могло происходить одновременно, а в некоторых уголках космоса «чистые» области могли сохраняться даже при относительно невысоких красных смещениях.

«Джеймс Уэбб» постепенно подбирается к этим скрытым уголкам. Гравитационное линзирование способно увеличить яркость фоновых объектов в тысячи и даже десятки тысяч раз, открывая возможность прямого обнаружения чрезвычайно далеких и тусклых источников. Десятилетний мониторинг примерно 30 полей скоплений галактик теоретически может позволить зафиксировать кратковременное усиление отдельных звезд третьего поколения при пересечении ими каустик. Но для этого нужна удача: линзированный объект должен оказаться в нужном месте, а его вспышка — совпасть с моментом наблюдения.

Что дальше

Сейчас исследовательская группа продолжает спектральные наблюдения далеких галактик с высоким красным смещением с помощью «Джеймса Уэбба». Если ранние галактики действительно начали поставлять тяжелые элементы в окружающее пространство уже через 300 млн лет после Большого взрыва, то общую временную шкалу химической эволюции Вселенной придется сдвинуть в сторону более ранних эпох. Для тех, кто продолжает поиски звезд третьего поколения, плохая новость в том, что цели могут оказаться еще более редкими, чем предполагалось. Хорошая новость — теперь они знают, где искать.

Результаты исследования, проведенного астрономами из Университета Аризоны, опубликованы в журнале Nature Astronomy.