«Пыль — это строительный блок Вселенной», — говорит Мелисса Шахбандех, астрофизик из Научного института космического телескопа (STScI). На протяжении миллионов лет частички космической пыли и газа слипаются, образуя большие плотные облака, из которых рождаются планеты и звезды. Но собственное происхождение пыли было загадочным. Теперь, в данных космической обсерватории JWST НАСА, Шахбандех и ее коллеги нашли источник пыли, которая заполняла раннюю Вселенную: гигантские звездные взрывы, называемые взаимодействующими сверхновыми, чьи интенсивные ударные волны могут выбрасывать пылевые шлейфы, которые накапливались в окрестностях сверхновых.
Эти результаты, представленные на заседании Американского астрономического общества и отправленные в The Astrophysical Journal, «впечатляют», говорит Лифан Ван, астрофизик из Техасского университета A&M, который не принимал участия в работе. «Удивительно, что мы действительно можем собирать такие данные с помощью JWST». Результаты указывают на альтернативу источнику пыли, который обычно используют астрономы — старые дымчатые звезды. И они углубляют понимание того, откуда взялась Земля и все на ней, говорит Шахбандех. «Если мы сможем понять, как [пыль] образовалась с ранних времен… тогда, возможно, мы сможем понять, как мы здесь оказались».
В звездах, масса которых от 1 до 10 масс Солнца и которые сожгли свое водородное топливо, крошечные частицы, состоящие из более тяжелых элементов, таких как углерод и кремний, накапливаются в их холодных внешних атмосферах, а затем уносятся сильными звездными ветрами. Но астрономы обнаружили огромное количество пыли в ранней Вселенной, и звездам требуются сотни миллионов или даже миллиарды лет, чтобы состариться и покрыться пылью. Астрономы подозревают, что сверхновые с коллапсом ядра, которые происходят, когда гигантские звезды исчерпывают свое топливо и коллапсируют под собственным весом, могли поставлять пыль ранее в космической истории, поскольку взрывающиеся звезды могут быстро генерировать тяжелые элементы, которые конденсируются в частицы.
Однако из-за своей мимолетности сверхновые звезды трудно обнаружить, а найти их пыль еще сложнее, поскольку она остывает по мере расширения и медленно исчезает из поля зрения телескопов.
Ори Фокс, астрофизик из STScI, подозревал, что более чувствительные телескопы откроют «золотую жилу», и поэтому в 2019 году его команда нанесла на карту десятки коллапсирующих сверхновых с помощью устаревшего инфракрасного космического телескопа Spitzer. Изображения были слишком низкого разрешения, чтобы увидеть пыль, но ученые надеялись, что в конечном итоге им удастся поближе рассмотреть кандидатов.
В 2021 году NASA запустило JWST с гигантским зеркалом и сверхчувствительными инфракрасными камерами. За следующие несколько лет исследователи отметили более 200 сверхновых, которые могли иметь пыль, включая многие из них, нанесенные на карту с помощью Spitzer.
После извлечения спектров из некоторых изображений JWST Фокс, Шахбандех и их коллеги нашли то, чего они ждали. В четырех взаимодействующих сверхновых, которые сгорели около нескольких сотен миллионов лет назад, они увидели длины волн света, характерные для алюминиевой, силикатной и углеродной пыли. Одна взаимодействующая сверхновая под названием 2005ip содержала пыль, равную массе 10% нашего Солнца — возможно, самое большое количество, когда-либо обнаруженное во внегалактической сверхновой. Более близкая сверхновая под названием 2009hd образовала достаточно пыли, чтобы составить половину массы нашего Солнца.
Чтобы определить, что сверхновые на самом деле создали пыль, а не взорвались вблизи плавающего шлейфа, исследователи сравнили спектр JWST 2005ip с редким спектром, полученным с помощью телескопа Spitzer 15 лет назад. В то время как данные Spitzer показали наличие углеродной пыли, данные JWST показали гораздо большую массу силикатной пыли, что привело исследователей к выводу, что сверхновая производила пыль с течением времени.
Команда предполагает, что на последних стадиях жизни гигантской звезды она сбрасывает более тяжелые элементы, которые объединяются в частицы пыли, которые формируют холодную плотную оболочку вокруг звездного ядра. Когда ядро звезды в конечном итоге разрушается, а затем взрывается, ударная волна прорывается через пыль. Этот механизм мог распространить достаточно пыли, чтобы объяснить массы, наблюдаемые в ранней Вселенной, особенно с учетом того, что некоторые астрономы предсказали, что взаимодействующие сверхновые встречаются чаще, чем другие типы на ранней стадии. Однако для подтверждения механизма необходимо больше данных, говорит Ван.
Микако Мацуура, инфракрасный астроном из Кардиффского университета, не принимавшая участия в работе, говорит, что, хотя сценарий со сверхновой является «одной из хороших возможностей», пока еще слишком рано исключать другие гипотезы о ранней пыли во Вселенной. Но с большим количеством данных от JWST и других будущих гигантских телескопов, таких как обсерватория Веры К. Рубин, Фокс уверен, что роль сверхновых в раннем космосе станет яснее. «Боже мой, 20 лет назад мы находили по 100 сверхновых в год», — говорит Фокс. «Теперь мы будем находить по 100 сверхновых в минуту».
