Уже примерно через 500 млн лет после Большого взрыва первые галактики начали выбрасывать в окружающее пространство тяжёлые элементы. К такому выводу пришли астрономы Университета Аризоны, изучив три галактики, свет от которых шёл до Земли более 13 млрд лет. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Наблюдения показывают состояние этих объектов в эпоху реионизации — примерно через 500 млн лет после рождения Вселенной, когда её возраст составлял около 3% от нынешнего. В то время между галактиками происходила ионизация водорода: электроны отделялись от атомных ядер, а ультрафиолетовое излучение постепенно начинало свободнее распространяться в космосе. Считается, что первые галактики в основном окружал почти первичный газ, состоявший из водорода и гелия.
Однако данные указывают на более раннее распространение углерода, кислорода и кремния. «Мы наблюдали, что тяжёлые элементы покидали галактики очень, очень рано в космической истории», — сказал первый автор работы, постдокторант кафедры астрономии Университета Аризоны и обсерватории Стюарда Йонгда Чжу. По его словам, галактики не только производили эти элементы, но и рассеивали их, возможно обогащая другие галактики.
Тяжёлые элементы формируются внутри звёзд в результате ядерных реакций. После завершения жизненного цикла светил, в том числе при взрывах сверхновых, углерод, кислород и другие вещества выбрасываются в космос, а затем становятся частью новых звёзд и планет. До сих пор оставалось неясным, насколько быстро этот процесс начался у первых галактик.
Исследователи использовали галактики как источники фонового света и анализировали, как он поглощался окружающим газом. «Когда свет от галактик двигался к Земле, он проходил через окружающий газ, и мы смогли изучить картины поглощения, чтобы обнаружить конкретные элементы», — пояснил Чжу. Наблюдения стал возможным благодаря инфракрасным возможностям космического телескопа James Webb (Джеймс Уэбб), а почти 30 часов экспозиции позволили выявить крайне слабые линии поглощения в спектрах.
Смещение этих линий в синюю сторону относительно красного смещения самих галактик показало, что газ двигался наружу и уносил тяжёлые элементы в межгалактическое пространство. Их химические признаки оказались похожи на те, что наблюдаются у гораздо более зрелых галактик спустя миллиарды лет. Такой обмен веществом между галактиками и окружающей средой называют барионным циклом; его раннее начало может объяснить, почему гипотетические звёзды третьего населения, сформировавшиеся из чистого водорода и гелия, быстро перестали быть распространёнными и потому остаются трудными для наблюдения.