Спустя всего около 500 миллионов лет после Большого взрыва, когда Вселенной было примерно 3% от её нынешнего возраста, уже начали светить одни из первых звёзд и галактик. Астрономы долгое время полагали, что газ вокруг этих молодых галактик оставался почти нетронутым и состоял в основном из водорода и гелия — базовых элементов новорождённого космоса. Однако новые данные указывают на то, что эта картина может быть неполной.
Исследование под руководством астрономов из Университета Аризоны, опубликованное в журнале Nature Astronomy, показало, что ранние галактики выбрасывали в окружающее пространство тяжёлые элементы, такие как углерод и кислород, гораздо раньше, чем предполагалось. «Мы наблюдали, как тяжёлые элементы покидали галактики очень, очень рано в космическом времени, — заявил Юнда Чжу, первый автор работы и постдокторант кафедры астрономии Университета Аризоны и обсерватории Стюарда. — Галактики не только производили эти элементы, но и рассеивали их, возможно, засеивая ими другие галактики».
В ранней Вселенной почти не было ничего, кроме водорода и гелия — двух простейших элементов таблицы Менделеева. Гравитация собирала этот материал в плотные облака, где начинали формироваться звёзды. Внутри звёзд экстремальные температуры и давление запускали термоядерный синтез и другие реакции, создававшие более тяжёлые элементы, включая углерод и кислород. Когда звёзды завершали свой жизненный цикл, в том числе взрываясь как сверхновые, они выбрасывали эти элементы в космос. Этот материал позже становился частью новых поколений звёзд и планет и в конечном счёте участвовал в химии, необходимой для жизни. Углерод в человеческом теле и кислород, которым люди дышат, были созданы внутри звёзд предыдущих поколений.
Чжу и его коллеги сосредоточились на трёх чрезвычайно далёких галактиках, свет от которых шёл к нам более 13 миллиардов лет. Наблюдения показывают эти галактики такими, какими они были примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва, в период, называемый эпохой реионизации. В эту эпоху первые поколения звёзд и галактик перестраивали космос, ионизируя водородный газ между галактиками. В ходе этого процесса электроны отрывались от ядер водорода. По мере развития реионизации ультрафиолетовое излучение могло свободнее распространяться в пространстве, помогая положить конец космическим «тёмным векам». «Мы использовали сами галактики в качестве фоновых источников света, — пояснил Чжу. — Когда свет от галактик шёл к Земле, он проходил через окружающий газ, и мы могли изучать спектры поглощения, чтобы обнаружить конкретные элементы».
Космический телескоп Джеймса Уэбба NASA сделал эти наблюдения возможными благодаря своим инфракрасным возможностям, позволяющим изучать галактики такими, какими они были более 13 миллиардов лет назад. Почти 30 часов экспозиции собрали достаточно света, чтобы команда смогла выявить чрезвычайно слабые особенности поглощения в спектрах далёких галактик. В течение одной долгой ночи Чжу вручную изучил общедоступные спектры JWST от сотен галактик и в итоге определил три, чьи спектры поглощения указывали на наличие тяжёлых элементов, включая углерод, кислород и кремний. Линии поглощения оказались «смещёнными в синюю сторону» по сравнению с красным смещением самих галактик. Это смещение показало, что газ двигался наружу, унося кислород, углерод и другие тяжёлые элементы из галактик в межгалактическое пространство. Примечательно, что химические сигнатуры вокруг этих младенческих галактик выглядели похоже на те, что находят вокруг гораздо более зрелых галактик миллиарды лет спустя. Это говорит о том, что даже на заре космоса галактики уже производили тяжёлые элементы и распространяли их вокруг себя. «Представьте эти элементы, возникшие в звёздах галактик, как пищевой краситель, капнутый в стакан воды, — сказал Чжу. — Цвет начинает распространяться по воде, и аналогичным образом эти тяжёлые элементы из ранних галактик начали покидать галактики и „обогащать“ своё окружение».
Астрономы называют обмен веществом между галактиками и их окружением барионным циклом. Этот процесс показывает, что галактики не являются полностью изолированными объектами. Вместо этого они взаимодействуют с окружением как части гораздо более крупной галактической экосистемы, где материал, созданный одним поколением звёзд, перерабатывается и перераспределяется. Обнаружение свидетельств того, что барионный цикл уже шёл так рано, может также помочь объяснить давнюю загадку, связанную со звёздами населения III. Эти гипотетические звёзды считаются первым поколением Вселенной, сформировавшимся из чистого газа, состоящего только из водорода и гелия, до широкого распространения тяжёлых элементов. Если галактики уже обогащали близлежащее пространство всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва, по-настоящему чистый газ мог исчезнуть быстро. В результате звёзды населения III могли не оставаться распространёнными достаточно долго, чтобы их можно было легко наблюдать. «Если вы начинаете с чистого ванильного мороженого, но вскоре начинаете подмешивать в него посыпку, пройдёт немного времени, прежде чем вы больше не сможете найти чистое, простое ванильное мороженое», — сказал Чжу.