Вселенная, в которой мы живём, прозрачна, и свет звёзд и галактик в ней ярко сияет на её тёмном фоне. Но так было не всегда: в первые годы своего существования Вселенная была заполнена туманом из атомов водорода, который заслонял свет от самых первых звёзд и галактик.

Ранняя Вселенная была заполнена туманом, состоящим из атомов водорода, пока первые звёзды и галактики не сожгли его.

Считается, что интенсивное ультрафиолетовое излучение первых поколений звёзд и галактик прожгло водородный туман, превратив Вселенную в то, что мы видим сегодня. Если предыдущие поколения телескопов не позволяли изучать эти ранние космические объекты, то сейчас астрономы используют более совершённую технологию космического телескопа им. Джеймса Уэбба для изучения звёзд и галактик, образовавшихся сразу после Большого взрыва.

Я астроном, изучающий самые далёкие галактики во Вселенной с помощью самых современных телескопов наземного и космического базирования. Используя новые наблюдения Уэбба и явление, называемое гравитационным линзированием, моя команда подтвердила существование самой слабой из известных на сегодняшний день галактик в ранней Вселенной. Галактика, получившая название JD1, выглядит так, как она выглядела, когда возраст Вселенной составлял всего 480 млн лет, или 4% от её современного возраста.

Краткая история ранней Вселенной

Первые миллиарды лет жизни Вселенной были важнейшим периодом в её эволюции. В первые мгновения после Большого взрыва материя и свет были связаны друг с другом в горячем, плотном «супе» из фундаментальных частиц.

Однако через доли секунды после Большого взрыва Вселенная стала расширяться чрезвычайно быстро. В конце концов Вселенная остыла настолько, что свет и материя выделились из «супа» и примерно через 380 000 лет образовали атомы водорода. Атомы водорода появились в виде межгалактического тумана, и без света звёзд и галактик. Тогда Вселенная была тёмной. Этот период известен как космические тёмные века.

Появление первых поколений звёзд и галактик через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва омыло Вселенную чрезвычайно горячим ультрафиолетовым светом, который сжёг — или ионизировал — водородный туман. В результате образовалась прозрачная, сложная и красивая Вселенная, которую мы видим сегодня.

Мы, астрономы, называем первый миллиард лет существования Вселенной, когда водородный туман сгорал, эпохой реионизации. Чтобы полностью понять этот период, мы изучаем, когда образовались первые звёзды и галактики, каковы были их основные свойства и смогли ли они произвести достаточно ультрафиолетового излучения, чтобы сжечь весь водород.

Визуальная модель, показывающая горение водородного тумана под действием ультрафиолетового излучения в эпоху «реионизации». Ионизированные, или сгоревшие, области синие и полупрозрачные. Фронты ионизации красные и белые, а нейтральные области тёмные и непрозрачные.

Поиск тусклых галактик в ранней Вселенной

Первым шагом к пониманию эпохи реионизации является поиск и подтверждение расстояний до галактик, которые, по мнению астрономов, могут быть ответственны за этот процесс. Поскольку свет распространяется с конечной скоростью, ему требуется время, чтобы дойти до наших телескопов, поэтому астрономы видят объекты такими, какими они были в прошлом.

Например, свету из центра нашей галактики, Млечного Пути, требуется около 27 тыс. лет, чтобы достичь Земли, поэтому мы видим его таким, каким он был 27 тыс. лет назад. Это означает, что если мы хотим заглянуть в самые первые мгновения после Большого взрыва (возраст Вселенной составляет 13,8 млрд лет), то нам придётся искать объекты, находящиеся на огромных расстояниях от нас.

Поскольку галактики, относящиеся к этому периоду, находятся так далеко, они кажутся нашим телескопам очень тусклыми и маленькими и излучают большую часть своего света в инфракрасном диапазоне. Поэтому для их поиска астрономам необходимы мощные инфракрасные телескопы, подобные Уэббу. До появления Уэбба практически все далёкие галактики, обнаруженные астрономами, были исключительно яркими и крупными, просто потому, что наши телескопы не были достаточно чувствительны, чтобы увидеть более тусклые и мелкие галактики.

Однако именно последняя популяция гораздо более многочисленна, представительна и, вероятно, является основной движущей силой процесса реионизации, а не яркие галактики. Поэтому именно эти слабые галактики астрономы должны изучать более детально. Это всё равно, что пытаться понять эволюцию человека, изучая целые популяции, а не только несколько очень высоких людей. Позволяя нам увидеть слабые галактики, Уэбб открывает новое окно в изучение ранней Вселенной.

Типичная ранняя галактика

JD1 — одна из таких «типичных» тусклых галактик. Её обнаружили в 2014 году с помощью космического телескопа им. Хаббла как подозрительно далёкую галактика. Но Хаббл не обладал достаточными возможностями и чувствительностью, чтобы подтвердить оценку расстояния до неё — он мог лишь помочь нам сделать обоснованное предположение.

Небольшие и тусклые близлежащие галактики иногда можно принять за далёкие, поэтому астрономам необходимо точно знать их расстояние, прежде чем делать заявления об их свойствах. Поэтому далёкие галактики остаются «кандидатами» до тех пор, пока оценки расстояний не будут подтверждены. Уэбб наконец-то располагает возможностями для их подтверждения, и JD1 стала одним из первых серьёзных случаев, когда Уэбб подтверждил чрезвычайно большое расстояние до галактики-кандидата, обнаруженной Хабблом. Это подтверждение позволяет считать её самой слабой галактикой, наблюдаемой в ранней Вселенной.

Для подтверждения оценки расстояния до JD1 мы с международной группой астрономов использовали спектрограф NIRSpec, работающий в ближней инфракрасной области, для получения инфракрасного спектра галактики Уэббом. Спектр позволил нам точно определить расстояние до Земли и определить её возраст, количество образовавшихся в ней молодых звёзд, а также количество пыли и тяжёлых элементов, которые она производит.

Небо, полное галактик и нескольких звёзд. JD1, изображённая в увеличенном квадрате, — самая слабая галактика, обнаруженная в ранней Вселенной.

Гравитационное линзирование, природное увеличительное стекло

Даже Уэбб не смог бы рассмотреть JD1 без помощи природы. JD1 находится за большим скоплением близлежащих галактик, называемым Abell 2744, чья суммарная гравитационная сила изгибает и усиливает свет от JD1. Этот эффект, известный как гравитационное линзирование, заставляет JD1 казаться больше и в 13 раз ярче, чем обычно.

Крупные галактики могут искривлять и искажать свет, проходящий вокруг них. В видеоролике показано, как происходит этот процесс, называемый гравитационным линзированием.

Без гравитационного линзирования астрономы не увидели бы JD1 даже с помощью Уэбба. Сочетание гравитационного увеличения JD1 с новыми изображениями, полученными с помощью другого прибора Уэбба, работающего в ближней инфракрасной области, NIRCam, позволило нашей команде изучить структуру галактики с беспрецедентной детализацией и разрешением.

Это означает не только то, что мы можем изучать внутренние области ранних галактик, но и то, что мы способны начать определять, были ли эти ранние галактики маленькими, компактными и изолированными, или же они сливались и взаимодействовали с соседними галактиками. Изучая эти галактики, мы прослеживаем путь к тем строительным блокам, которые сформировали Вселенную и привели к появлению нашего космического дома.