«Джеймс Уэбб» впервые обнаружил излучение молекулярного водорода в галактике с чрезвычайно малым уровнем металличности. Наблюдения за теплым газом вблизи единственной звезды О-типа в маленькой карликовой галактике Лев P позволили дать нижнюю оценку общей массы всего молекулярного водорода в галактике. Статья опубликована в журнале Nature.
Результаты наблюдений за очень далекими галактиками, существовавшими в первый миллиард лет жизни Вселенной, указывают на их необычно быстрый рост, что плохо согласуется с текущими моделями. Межзвездная среда таких галактик содержала пыль и слабо обогащена элементами тяжелее водорода и гелия, поэтому информацию о том, как шло звездообразование в таких системах, можно получить, наблюдая за малометалличными и близкими к нам изолированными карликовыми галактиками. До сих пор не было найдено излучения холодного (от нескольких до нескольких десятков кельвинов) молекулярного газа в галактиках с общей металличностью менее семи процентов от солнечной, что не позволяет наложить дополнительные ограничения на модели процессов звездообразования. Это связывают с тем, что при таких температурах очень слабо излучение как молекулярного водорода, так и угарного газа (последний чаще всего используется как маркер молекулярных облаков).
Излучение молекулярного водорода можно зарегистрировать от теплого (100–400 кельвин) газа, который может составлять менее 10–15 процентов от общих запасов молекулярного водорода в звездообразующих галактиках с разными уровнями металличности. В этом случае можно вести наблюдения в среднем инфракрасном диапазоне за молекулами водорода, возбужденными ультрафиолетовым излучением от короткоживущих массивных звезд в областях фотодиссоциации. Однако и здесь до недавнего времени имел место наблюдательный предел для действующих космических телескопов по общему уровню металличности внутригалактической среды, составлявший менее пяти процентов от солнечной.
Группа астрономов во главе с Грейс Телфорд (Grace Telford) из Принстонского университета сообщила, что впервые обнаружила излучение молекулярного водорода для галактики с уровнем металличности в три процента от солнечной. Такие наблюдения стали возможны благодаря большому пространственному разрешению и высокой чувствительности телескопа «Джеймс Уэбб». 23 мая 2024 года телескоп наблюдал за карликовой галактикой Лев P (Leo P) при помощи спектрометра MRS, входящего в прибор MIRI.
Лев P представляет собой изолированную галактику (и одну из самых бедных металлами), формирующую звезды в Местной Вселенной. Она находится на краю Местной Группы, в 5,2 миллиона световых лет от Млечного Пути, и очень компактна — эффективный радиус не превышает 3,7 тысячи световых лет. Галактика содержит несколько тысяч звезд, в том числе несколько массивных голубых звезд, и образует звезды со скоростью 4,3×10−5 массы Солнца в год. Внутри Льва P наблюдается всего одна звезда спектрального типа О, обладающая температурой около 34 тысяч кельвин. Своим излучением она формирует единственную в галактике область ионизированного водорода, однако все предыдущие наблюдения за этим регионом не могли выявить излучение молекулярного водорода.
Наблюдения «Джеймса Уэбба» выявили излучение на длине волны 17,03 микрометра вблизи северо-западного края области ионизированного водорода, что приписывается облаку теплого молекулярного водорода с максимальным радиусом 8,48 светового года. Наблюдаемое излучение обладает крайне малой интенсивностью, что говорит либо об очень низкой температуре, либо об очень малой плотности газа. В первом случае будет применима модель с температурой газа 80 кельвин и колонковой плотностью 5,2×1021 частиц на квадратный сантиметр. Во втором случае температура газа увеличится до 420 кельвин, но колонковая плотность уменьшится на четыре порядка.
Такие оценки позволяют вывести оценку минимального общего (теплый и холодный газ) содержания молекулярного водорода в Льве P, которое составляет не менее 1,1 × 104 масс Солнца. Подобный результат согласуется с данными наблюдений за угарным газом в галактике при помощи радиотелескопа ALMA и дает эмпирическое подтверждение способности молекул водорода возникать в газовой среде с низким уровнем металличности и пыли. Таким образом, несмотря на то, что некоторые модели предсказывали формирование звезд в галактиках в ранней Вселенной преимущественно из атомарного газа с низкой металличностью, молекулярные облака с низкой металличностью тоже могут рассматриваться как места рождения звезд в подобных системах и способны оказываться достаточно крупными, чтобы быть обнаруженными.
Титул рекордно бедной металлами звезды все еще принадлежит светилу из нашей галактики — это очень старый красный гигант SMSS J0313—6708, обнаруженный в гало Млечного Пути.