С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба ученые заглянули в изначальную Вселенную и обнаружили галактики, которые существовали, когда Вселенной было всего 300–400 миллионов лет.
Новорожденная Вселенная не была похожа на космос, который мы видим сегодня. Вначале было темно: ни звезд, ни галактик, только кипящий небесный суп. Но через сотни миллионов лет после Большого взрыва образовались первые галактики — как именно — загадка — и положили начало эволюционной последовательности, которая заселила космос галактиками, включая наш Млечный Путь.
Теперь астрономы, заглядывающие в далекое прошлое, обнаружили первобытные галактики, которые, возможно, возникли раньше и росли быстрее, чем предполагалось.
Свет от некоторых из этих галактик, замеченный космическим телескопом Джеймса Уэбба НАСА, мчался по космосу примерно 13,4 миллиарда лет, прежде чем столкнулся с позолоченными зеркалами прибора. Хотя JWST полностью функционирует всего около шести месяцев, его наблюдения уже раскрывают первые дни галактической истории. По крайней мере, две галактики, обнаруженные JWST, находятся дальше, чем все, что видели раньше, и телескоп обнаружил дополнительных интригующих кандидатов, ожидающих подтверждения.
«Мы видим, как выглядели галактики в то время, когда Вселенной было всего от 300 до 400 миллионов лет» , — сказала Джейн Ригби, научный сотрудник JWST, перед переполненной аудиторией во время зимнего собрания Американского астрономического общества в Сиэтле.
Несколько команд используют JWST, чтобы заглянуть в первобытный мрак, где древние галактики могут раскрыть новые взгляды на историю создания Вселенной. Эта история началась со взрыва около 13,7 миллиардов лет назад, а звезды, планеты и люди, населяющие сегодня Вселенную, являются продуктом миллиардов и миллиардов лет космической эволюции. Но их корни уходят в космическое младенчество, скрытое за пеленой пыли. JWST с его исключительно чувствительным инфракрасным глазом был разработан, чтобы проникнуть сквозь эту завесу.
Астрономы, в восторге от первых успехов JWST, хотят узнать, как далеко он может заглянуть в прошлое. Уже сейчас галактики, сиявшие в начале времен, представляют новые загадки.
«Их ужасно много — слишком много, слишком большие, слишком яркие, слишком горячие, слишком зрелые и слишком ранние», — сказал Джон Мазер из НАСА, старший научный сотрудник проекта JWST, во время встречи AAS в Сиэтле.
Вглядываясь сквозь пространство и времяТакие телескопы, как JWST, немного похожи на машины времени. Когда они смотрят вдаль, они также смотрят в прошлое. Захваченный свет показывает объекты такими, какими они выглядели, когда впервые замерцали, иногда миллионы или миллиарды лет назад.Когда свет проходит через расширяющийся космос, он растягивается до более длинных и красных длин волн. Астрономы могут измерить степень этого растяжения, называемого красным смещением, которое можно использовать для расчета расстояния до объекта. Более высокие красные смещения означают, что объект находится дальше.
За 800 снимков, сделанных в период с 2003 по 2004 год, космический телескоп Хаббла зафиксировал то, что на тот момент было самым глубоким и подробным видимым изображением Вселенной, известным как сверхглубокое поле Хаббла и увиденное здесь. Используя JWST, ученые теперь исследовали тот же регион, чтобы обнаружить некоторые из самых ранних галактик на сегодняшний день.
Изучение космических объектов с большим красным смещением является одним из главных приоритетов JWST. Расположенный в миллионе миль от Земли, телескоп видит в инфракрасном диапазоне, что делает его идеальным инструментом для обнаружения более длинных и красных длин волн света. Галактики, обнаруженные JWST, уже заставляют астрономов переосмыслить, что именно представляет собой высокое красное смещение — или «высокое z».
«JWST полностью изменил наше определение high-z», — пишет в электронном письме Гвидо Робертс-Борсани из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. В 2015 году, по его словам, самые далекие известные галактики имели значение красного смещения 8 или 9. Но затем космический телескоп Хаббл обнаружил галактику, позже названную GN-z11, с красным смещением 11 и отодвинул первые галактики еще дальше во времени.
«Теперь JWST затмил это», — говорит Робертс-Борсани, и граница красного смещения была сдвинута к значениям 12 или 13, что соответствует примерно 13,3 или 13,4 миллиарда лет назад.
В поисках красного
На протяжении десятилетий астрономы стремились найти галактики с самым большим красным смещением — сначала с помощью космических телескопов «Хаббл» и «Спитцер» , а теперь с помощью JWST. Конкуренция между командами, борющимися за место в списке рекордсменов, исторически была довольно жесткой, хотя ситуация может измениться. Когда Эмма Кертис-Лейк, астрофизик из Университета Хартфордшира в Англии, представила новые рекордные галактики во время декабрьской научной конференции в Научном институте космического телескопа в Балтиморе, весь зал астрономов ахнул от восторга.
«Мы перешли в совершенно новый режим — это первый раз, когда мы получили подтверждение чего-то дальше, чем смог увидеть Хаббл, и это только начало»
Фантомная галактика M74 сияет ярче всего на этом комбинированном оптическом изображении, полученном Хабблом, и изображении в среднем инфракрасном диапазоне, полученном JWST. Изучение самых ранних галактик может помочь астрономам понять, как развивались современные галактики, такие как M74.
Летом JADES исследовал хорошо изученный участок южного неба — часть культового сверхглубокого поля Хаббла — на наличие первичных галактик. Охотники за галактиками сначала просеяли 100 000 галактик на изображении, сделанном камерой ближнего инфракрасного излучения JWST. Этот инструмент может измерять предполагаемое красное смещение на основе света галактики, видимого через различные фильтры. Затем они нацелили другой прибор, спектрометр ближнего инфракрасного диапазона JWST, на самые интригующие цели.
Спектрометр может определить точное красное смещение галактики — и, следовательно, ее возраст и расстояние — на основе характерных разрывов в спектре света, исходящего от галактик. Эти спектроскопические измерения гораздо точнее, говорит член команды JADES Брант Робертсон из Калифорнийского университета в Санта-Круз, поэтому астрономы считают их подтверждением красного смещения галактики.
Кертис-Лейк, Робертсон и их коллеги подтвердили расстояния до четырех галактик, населявших первичный космос, когда ему было всего около 300 или 400 миллионов лет. Двое из них, хотя и находятся далеко от зла, также были замечены Хабблом. Два других находятся дальше, чем что-либо, что мог увидеть Хаббл, с красными смещениями 12,6 и 13,2. Эти галактики в основном состоят из более легких элементов, таких как водород и гелий, потому что они существовали до того, как успело сформироваться большое количество более тяжелых элементов.
«Они как маленькие младенцы во вселенной, которая еще не начала развиваться», — говорит Кертис-Лейк.
Семейство ранних галактик
Астрономы, работающие над другим ранним обзором галактик, программой Космическая Эволюция Наука о Раннем выпуске (CEERS), объявили о подтверждении большего количества галактик во время встречи AAS , многие из которых находятся между красными смещениями 8 и 9. Первая мозаика CEERS , составленная из 690 отдельных Кадры, на которых показан участок неба возле изгиба на рукоятке Большой Медведицы, являются крупнейшим опубликованным до сих пор изображением обзора галактик JWST.
«Вы потратите много времени, рассматривая эти изображения», — предупредил астрономов в Балтиморе Стив Финкельштейн из Техасского университета в Остине. «Ты можешь повеселиться».
Хотя ни одна из подтвержденных галактик CEERS не находится так далеко, как четыре, обнаруженные JADES, неподтвержденная галактика, которую астрономы все еще исследуют, может быть колоссально далекой. Кандидат выглядит как пятно с предполагаемым красным смещением 16, что означает, что он может быть невероятно молодым и далеким. Команда также обнаружила галактику в форме помидора с красным смещением 12, теперь известную как галактика Мэйси в честь дочери Финкельштейна.
«Это был действительно достойный кандидат, и стоило написать статью в день рождения моей дочери, так что это галактика Мэйси», — объяснил он на встрече в Балтиморе.
Обе эти галактики ожидают спектроскопического подтверждения, а тем временем другие группы заняты идентификацией кандидатов с большим красным смещением среди других ранних изображений JWST. Одна из этих групп, возглавляемая Хаоцзин Яном из Университета Миссури, утверждает, что обнаружила 87 галактик с красными смещениями от 11 до 20. Эти кандидаты также ожидают подтверждения.
«Ставлю 20 долларов и кружку пива — очень большую сумму, — что вероятность успеха должна быть выше 50 процентов», — сказал Ян журналистам во время встречи AAS.
Если хотя бы небольшая часть этих галактик-кандидатов окажется настолько далекой, как первоначально предполагалось, говорит Ян, то «наша ранее предпочтительная картина формирования галактик в ранней Вселенной должна быть пересмотрена».
Проверка законов природы
На первый взгляд кажется, что ранняя Вселенная была более изобретательна в приготовлении звезд и галактик, чем предполагали ученые.
«Галактики, которые мы находим на этих красных смещениях, более многочисленны, чем мы ожидали, основываясь на предыдущих наблюдениях, и они также ярче, чем мы ожидали на этих красных смещениях», — пишет Робертс-Борсани. «Чтобы соответствовать этой «новой» картине, галактики должны были начать формироваться раньше и быстрее, чем считалось ранее».
Робертс-Борсани является членом коллаборации СТЕКЛО-JWST , которая также занимается поиском галактик с большим красным смещением и их изучением, чтобы понять космическую эволюцию. Коллаборация GLASS изучила участок неба, который находится за массивным скоплением галактик, и команда уже обнаружила несколько, по-видимому, первичных галактик — больше, чем предсказывало моделирование. «Что-то там немного странное», — сказал Робертс-Борсани астрономам в Балтиморе.
Но, говорит он, есть способы объяснить кажущийся переизбыток, не нарушая установленных в настоящее время законов мироздания. Такие телескопы, как JWST, могут отображать только небольшие участки неба за один раз, поэтому случайно команды могут изучать участки неба, которые необычно заполнены галактиками. Другая возможность состоит в том, что эти ранние галактики просто ярче, чем ожидалось, возможно, потому, что звездообразование происходило иначе, чем предполагалось. Третье объяснение заключается в том, что оценки, основанные на наблюдениях Хаббла, являются неполными из-за ограниченных возможностей наблюдения Хаббла, и, возможно, по еще не выясненным причинам ранняя Вселенная была более эффективной в включении света, чем предполагалось.
