И звёзды в ней уже довольно старые

На большой фотографии слева в основном видны галактики крупного скопления MACS J1149+2223. Гравитационное линзирование гигантского скопления усилило свет от обнаруженной недавно галактики MACS 1149-JD примерно в 15 раз. Справа вверху более детально показана увеличенная часть картинки, а ещё больше она увеличена справа внизу.

Мы заглядывали так далеко в космос, насколько позволяют нам наилучшие из наших телескопов, но пока ещё не увидели мест, где не было бы звёзд и галактик. Существует большой разрыв между первой из найденных нами галактик, GN-z11, существовавшей, когда Вселенной было всего 400 млн лет, и остаточным свечением Большого взрыва, сохранившимся с тех пор, когда Вселенной было 380 000 лет. Между ними должны присутствовать какие-то первые звёзды, но у нас нет возможностей напрямую заглянуть на такое расстояние. И пока у нас не будет телескопа им. Джеймса Уэбба, мы сможем оперировать только непрямыми свидетельствами.


Изучая всё большую часть Вселенной, мы заглядываем всё дальше в пространство, а значит, и назад во времени. Телескоп Джеймса Уэбба позволит нам напрямую добраться до глубин, на которые текущее оборудование не способно проникнуть

Но в области непрямых свидетельств мы получили большое подкрепление. Учёные только что подтвердили обнаружение второй по удалённости галактики, MACS1149-JD1, чей свет идёт к нам с тех пор, как Вселенной было 530 млн лет, или 4% от её сегодняшнего возраста. Примечательно тут то, что мы смогли обнаружить в ней кислород, а это первый случай, когда такой тяжёлый элемент обнаружен в таком далёком прошлом. Исходя из наших наблюдений, можно заключить, что этой галактике, по меньшей мере, 250 млн лет – а это отодвигает свидетельство существования первых звёзд ещё дальше назад.


Схематическая диаграмма истории Вселенной, с указанием реионизации. До формирования звёзд или галактик Вселенная была полна нейтральных атомов, блокирующих свет. Большая часть Вселенной не подверглась реионизации вплоть до 550 млн лет, но нескольким регионам повезло больше, и они реионизировались гораздо раньше.

На основе состава Вселенной: 68% тёмной энергии, 27% тёмной материи, 4,9% нормальной материи, 0,1% нейтрино и ? 0,01% излучения, мы можем провести симуляцию того, как и когда в ней должны сформироваться звёзды и галактики. Поскольку мы можем измерить начальные свойства в возрасте 380 000 лет напрямую, нам нужно просто учесть законы физики и запустить эволюцию вперёд во времени. Наши наилучшие симуляции показывают замечательную историю возникновения космической паутины, кульминация которой приводит к появлению галактик и их скоплений, разделённых огромными космическими войдами в расширяющейся с ускорением Вселенной.



Если законы физики таковы, какими мы их считаем, то можно ожидать наличия периода – тёмных веков – когда гравитация стягивает материю в регионы повышенной плотности, но она пока ещё не схлопнулась, не сжалась достаточно сильно для того, чтобы сформировать звёзды. Самые первые звёзды могли формироваться от 50 до 200 млн лет, а потом должно было появиться очень большое количество звёзд за очень малое время. Самые мелкие скопления звёзд сливались в более крупные, и в итоге, в протогалактики – строительные блоки видимых нами сегодня галактик. В итоге, спустя примерно 550 млн лет после Большого взрыва, сформировалось достаточно звёзд для того, чтобы очистить Вселенную от блокирующих свет нейтральных атомов, и мы сможем увидеть всё это, используя достаточно мощный оптический телескоп.


Представление художника о ранней Вселенной после того, как первые триллионы звёзд сформировались, прожили и погибли. Существование и жизненный цикл звёзд – основной процесс, обогащающий Вселенную элементами за пределами водорода и гелия, а излучение, испускаемое первыми звёздами, делает её прозрачной для видимого света. Мы пока ещё не можем наблюдать популяцию первых звёзд напрямую

Но когда же загорелись эти первые звёзды? Каковы их свойства, чем они отличаются от сегодняшних? Как быстро они сгорали, когда сформировались первые звёзды со скалистыми планетами и потенциальными ингредиентами для жизни? Есть ли в космосе предпочтительный регион для таких процессов?

До сего момента мы могли смотреть назад до 400 млн лет после Большого взрыва, используя наилучшие наблюдения НАСА, находя молодые, уже развитые галактики. Недавно мы смогли ненапрямую измерить определённый признак звёзд, сформировавшихся ещё раньше: когда Вселенной было от 180 до 260 млн лет. Мы думали, что нам придётся подождать запуска телескопа Джеймса Уэбба для подтверждения этих измерений.


Существенный провал графика – прямой результат недавнего исследования Боумена с коллегами, где показан сигнал 21-см линии водорода, зарегистрированной, когда Вселенной было от 180 до 260 млн лет. Это соответствует появлению первой волны звёзд и галактик во Вселенной. На основании этого свидетельства начало «космической зари» следует отнести на величину красного смещения ? 22.

Но в новом исследовании от 16 мая 2018, опубликованном в Nature, возможно, содержится необходимое подтверждение того, что звёзды действительно существовали в те ранние времена. Существует множество кандидатов, ультрадалёких галактик – с ультракрасными или даже инфракрасными цветами, говорящими об их чрезвычайной удалённости. Но до подтверждения этих расстояний есть шанс, что это всего лишь квазаги. На этой неделе один из кандидатов на самые ранние галактики действительно оказался квазагом; это происходит довольно часто и подчёркивает, что нам необходимы подтверждения.


Скопление галактик MACS J1149.5+223 впечатляющего размера, чей свет шёл до нас 5 млрд лет, был целью одной из программ Hubble Frontier Fields (пограничные поля). Этот массивный объект подвергает гравитационному линзированию свет расположенных за ним объектов, растягивая и увеличивая их, и позволяя нам видеть более отдалённые окраины космоса.

Но галактика MACS1149-JD1 действительно оказалась так далеко, как мы считали, и стала второй по удалённости галактикой из известных. А в ней мы нашли не только ингредиенты первых звёзд, водород и гелий. Там был и кислород, и хотя это третий по распространённости элемент во Вселенной, он появился не в Большом взрыве, а только после жизни и смерти первого поколения звёзд.


Остатки сверхновой (слева) и планетарные туманности (справа) – два способа переработки звёздами сгоревших тяжёлых элементов, выброшенных в межзвёздное пространство, и порождающих следующее поколение звёзд и планеты. Самые первые, чистые звёзды должны были появиться до того, как сверхновые, планетарные туманности или слияния нейтронных звёзд загрязнили межзвёздное пространство тяжёлыми элементами. Обнаружение кислорода в такой ультрадалёкой галактике и её яркость говорят нам о том, что ей уже сотни миллионов лет.

Безошибочные признаки наличия кислорода и наблюдаемая яркость галактики, а также признаки водорода, помогшие точно определить расстояние до неё, наблюдались благодаря комбинации четырёх удалённых обсерваторий: ALMA, ESO VLT, Хаббл и Спитцер. Яркость говорит о том, что звёзды в галактике формировались уже довольно долго, поскольку для достижения наблюдаемого уровня требуется время на развитие звёзд. Это позволяет нарисовать картину космической зари для этой галактики, соответствующую с тем, что нам известно: первые звёзды, сформировавшие эту галактику, появились спустя 250 млн лет после Большого взрыва.


Вся история космоса теоретически хорошо известна, но только качественно. Только подтверждая и открывая различные этапы прошлого нашей Вселенной при помощи наблюдений, например, формирование первых звёзд и галактик, мы по-настоящему сможем понять наше мироздание. Большой взрыв задаёт фундаментальное ограничение того, насколько далеко мы можем видеть в любом направлении.

Это ещё один шаг в неизвестные доселе космические глубины. Никогда ещё мы не наблюдали настолько удалённую галактику с подтверждённым звёздным населением, состоящим из взрослых звёзд. Как пишет Ричард Эллис, соавтор исследования:

Определение времени начала космической зари – это святой Грааль космологии и формирования галактик. В случае MACS1149-JD1 мы смогли прозондировать историю за пределами того, что мы можем увидеть с текущим оборудованием. Восстановлен оптимизм по поводу того, что мы всё ближе и ближе подходим к прямому наблюдению зарождения звёздного света. Поскольку все мы состоим из переработанного звёздного материала, речь идёт о поиске наших реальных истоков.


Первые звёзды и галактики Вселенной были окружены нейтральными атомами, в основном, водородного газа, поглощающего звёздный свет. Мы пока не можем наблюдать эти первые звёзды напрямую, но можем наблюдать, что происходит после некоторого периода космической эволюции, что позволяет нам предполагать, когда произошло формирование большого количества звёзд.

Впервые мы можем успешно предполагать, что галактики существовали на сотни миллионов лет раньше, чем мы можем увидеть напрямую. Мы ближе, чем когда-либо, подошли к ответу на вопрос о том, когда первые звёзды и галактики появились из тьмы ранней Вселенной. И когда телескоп Джеймса Уэбба будет запущен в 2020, мы точно будем знать, чего ожидать при поиске ответов на один из величайших вопросов о космосе.