После запуска телескопа «Джеймс Уэбб» астрофизики начали объявлять об обнаружении самых далеких и ранних галактик. «Хайтек» рассказывает, как ученые определяют расстояние до объектов, возникших вскоре после Большого взрыва, что такое красное смещение и почему результаты оценки ставят под сомнение.
Одна из главных функций космического телескопа «Джеймс Уэбб» — найти самые ранние галактики, расширяя наши исследования Вселенной как в пространстве, так и во времени. За месяц после публикации первых научных данных, собранных телескопом, на портале препринтов появилось уже более 10 научных публикаций, описывающих кандидатов в первых «обитателей» ранней Вселенной. Если измерения верны, то эти галактики существовали всего через 200–300 млн лет после Большого взрыва.
Эти звездные системы расположены гораздо дальше, чем все наблюдаемые ранее объекты Вселенной. Ученые пишут о галактиках с красным смещением от 12 до 17. Но в этом празднике научного торжества есть и ложка дегтя: некоторые исследователи полагают, что возраст объектов может быть искажен и результаты требуют тщательной проверки.
Какая галактика самая далекая?
До запуска космического телескопа «Джеймс Уэбб» в течение долгого времени самой далекой подтвержденной галактикой была GN-z11. Ее открыли в 2016 году при помощи телескопа «Хаббл». Она примерно в 25 раз меньше Млечного Пути и составляет около 1% от его массы. При этом звездообразование в ней протекало в 20 раз активнее.
GN-z11 расположена в созвездии Большая Медведица, и астрофизики оценивают красное смещение в 11,1. Это значит, что мы наблюдаем ее такой, какой она была 13,4 млрд лет назад — всего через 400 лет после Большого взрыва. Поскольку Вселенная постоянно расширяется, галактики в космосе удаляются друг от друга. Поэтому собственное расстояние до GN-z11 составляет около 32 млрд световых лет.
Еще до запуска нового телескопа весной 2022 года астрофизики объявили об открытии еще более далекого кандидата — HD1. Он был обнаружен с помощью космического телескопа «Субару» и наблюдений наземных обсерваторий. По данным спектроскопии, его красное смещение составляет 13,27, что соответствует расстоянию в 13,5 млрд световых лет. А сама галактика сейчас находится в 33,4 млрд световых лет от Земли.
Всего через неделю после публикации первых данных телескопа «Джеймс Уэбб» исследователи из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики объявили об обнаружении галактики GLASS-z13, красное смещение до которой предварительно оценивается в 13. Это примерно 300 млн лет после Большого взрыва. Еще через неделю поступило сообщение о галактике с красным смещением 14 и даже 16,7. Если это правда, то мы видим эти галактики такими, какими они существовали примерно через 200 млн лет после Большого взрыва.
Правда, все эти результаты предварительные: пока ни одно из этих значений красного смещения не подтверждено. Чтобы установить расстояния до этих галактик, потребуется спектроскопический анализ.
Как нашли новые галактики?
В своих работах ученые использовали разные методы. Например, астрофизики из Университета Миссури-Колумбия использовали эффект гравитационного линзирования, созданного массивным скоплением галактик SMACS J0723. Массивный объект искажает движение света, увеличивая далекие объекты, как обычная оптическая линза телескопа. С помощью этого метода ученые обнаружили 88 галактик-кандидатов с красным смещением не менее 11. Некоторые из них по оценке исследователей могут иметь красное смещение до 20.
Другие ученые анализировали снимки различных участков неба, на которых не использовался эффект гравитационного линзирования. Эти изображения являются частью исследования Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), которое состоит из снимков 10 различных участков неба, сделанных камерой ближнего инфракрасного диапазона телескопа (NIRCam).
Для подтверждения реального возраста далеких объектов требуется спектроскопический анализ, который расщепляет свет от объекта на спектр. Для этого ученые будут использовать спектрограф ближнего инфракрасного диапазона телескопа «Джеймс Уэбб» (NIRSpec), а также прибор среднего инфракрасного диапазона космического телескопа (MIRI).
Что такое красное смещение?
При исследовании ранней Вселенной основной показатель, который используют ученые, — это красное смещение. Оно помогает понять, насколько быстро объект удаляется от нас. Подобно тому, как сигнал паровоза или корабля звучит ниже, когда они движутся от наблюдателя, световая волна от удаляющегося объекта тоже изменяется.
Вселенная постоянно расширяется, а значит, далекие галактики движутся прочь от Земли. При красном смещении электромагнитное излучение от удаляющегося объекта увеличивает длину волны. Это значит, что все детали спектра сдвигаются в сторону красного участка.
Чем дальше галактика, тем раньше мы ее видим и тем больше ее свет растянулся из-за расширения Вселенной. В результате синий и ультрафиолетовый свет от горячих молодых звезд через 13,5 млрд лет кажется нам инфракрасным.
Телескоп «Джеймс Уэбб» оборудован чувствительными приборами, которые фиксируют излучения в различных участках инфракрасного диапазона и именно поэтому могут уловить излучение ранней Вселенной.
Почему первые результаты могут быть ошибочными?
Предварительные исследования основаны на одиночных наблюдениях и могут быть неточными. Например, пыльные галактики со звездообразованием, существовавшие через млрд лет после Большого взрыва, могут маскироваться под рекордно далекие. А кроме того, свет, испущенный галактиками, может быть искажен другими объектами.
Например, основываясь на том, насколько красной галактика CEERS-DSFG-1 кажется на изображениях телескопа «Джеймс Уэбб», астрономы определили красное смещение от 17 до 18. Это означает, что мы видим ее через 220 млн лет после Большого взрыва. Однако японские астрономы использовали субмиллиметровый телескоп NOEMA, чтобы найти эту же галактику и показать, что в ней содержится огромное количество пыли.
Пыль поглощает более короткие и голубые волны звездного света, пропуская более длинные и красные. Это означает, что при визуальном наблюдении с Земли такая галактика будет казаться более красной. Скорректировав результаты наблюдений с учетом влияния пыли ученые показали, что реальное красное смещение составляет всего около 5. А это значит, что галактика видна через 1,3 млрд лет после Большого взрыва.
К похожим результатам пришли исследователи, изучавшие галактику-кандидата CEERS-1749. Они назвали свое открытие — галактикой Шредингера. Все дело в том, что красное смещение для нее может быть равно или 5, или 17. Если речь идет об отдельной далекой галактике, то это одна из самых далеких известных подобных систем, а если она является частью кластера, то речь снова идет о миллиарде лет после Большого взрыва. Все станет ясно после новых исследований.
Вне зависимости от того, будут ли подтверждены заявленные рекорды, новые открытия внесут существенный вклад в понимание процессов развития ранней Вселенной. Даже «близкие» далекие галактики с красным смещением около 5 открывают новые данные.
Межзвездная пыль — побочный продукт цикла рождения и смерти звезд. Чтобы повлиять на красное смещение, такой пыли должно быть очень много. А это значит, что в таких галактиках должно происходить крайне интенсивное звездообразование. Ранее ученые не знали о подобных процессах.
Большое количество далеких галактик из разных периодов жизни Вселенной поможет понять, как формировались и развивались первые звездные системы.
Читать далее:
«Джеймс Уэбб» прислал фото столкновения двух огромных галактик
«Бесполезная» бактерия на Земле обеспечит жизнь колонизаторам Марса
На пирамиде в Китае нашли портрет «царя предков». Он правил более 4 000 лет назад