Космічний телескоп «Спітцер» (Spitzer) допоміг виявити, що деякі з ранніх галактик Всесвіту були яскравішими, ніж очікувалося. Надлишок світла є побічним продуктом галактик, що випускають неймовірно велику кількість іонізуючого випромінювання. Знахідка дає підказки про причину епохи реіонізації — великої космічної події, що перетворила головно непрозорий Всесвіт на світ сяючих зір, які ми бачимо нині.
Науковці, які виконали нове дослідження, повідомляють про спостереження деяких з перших галактик, що утворилися у Всесвіті менш ніж за один мільярд років після Великого Вибуху (або трохи більше 13 млрд років тому). Дані показують, що в кількох специфічних довжинах хвиль інфрачервоного світла галактики значно яскравіші, ніж очікували вчені. Це перше дослідження, що підтверджує таке явище для великої вибірки ранніх галактик. Його результати вказують на те, що це не були окремі випадки надмірної яскравості, бо навіть тогочасні пересічні галактики були набагато яскравішими в цих довжинах хвиль, ніж галактики, які ми бачимо сьогодні.
На цьому зображенні глибокого поля (deep-field) неба, отриманому космічними телескопами NASA «Габбл» і «Спітцер», переважають галактики — серед яких є дуже слабкі й дуже далекі (їх обведено червоними колами. На вставці в нижньому правому куті показана одна з цих галактик. Світло від неї телескопи збирали під час тривалого спостереження. Фото з сайту www.nasa.gov.
Ніхто не знає напевно, коли у Всесвіті сформувалися перші зорі. Спостережні дані вказують на те, що близько 100—200 мільйонів років після Великого Вибуху Всесвіт заповнював переважно нейтральний водень з якого, можливо, тільки починали утворюватися зорі. Вони потім почали формувати перші галактики. Приблизно через один мільярд років після Великого Вибуху у Всесвіті вже повсюдно сяяли зорі. Відбулася також ще одна зміна: електрони всюдисущого нейтрального газоподібного водню були вивільнені у процесі, відомому як іонізація. Епоха реіонізації — перехід від Всесвіту, наповненого нейтральним воднем, до Всесвіту з іонізованим воднем — добре «задокументована».
До часу цієї всесвітньої трансформації довгохвильове випромінювання, зокрема радіохвилі й видиме світло, поширювалися у Всесвіті більш-менш вільно. Але випромінювання з коротшими довжинами хвиль — ультрафіолетове, рентгенівські промені й гамма-промені — поглинали атоми нейтрального водню. Це позбавило їх електронів, спричинивши появу іонів.
Одна з перших галактик у Всесвіті в уявленні художника. Інтенсивний процес зореутворення та вибухи зір наприкінці їхньої еволюції, сприяли б іонізації газу, що заповнює простір між зорями. Це призвело до того, що галактика стала непрозорою і без чіткої структури. Фото з сайту www.nasa.gov.
Але що могло бути джерелом такої кількості іонізуючого випромінювання, щоб вплинути на весь водень у Всесвіті? Це були окремі зорі? Гігантські галактики? Якщо винуватцем були вони, то ці ранні космічні колонізатори відрізнялися від більшості сучасних зір і галактик, які, зазвичай, не виділяють великих потоків іонізуючого випромінювання. Знову ж таки, можливо, причиною стало щось інше, наприклад квазари — галактики з неймовірно яскравими ядрами, які поглинають величезну кількість речовини, що обертається навколо надмасивних чорних дір.
«Це одне з найбільших нез’ясованих питань в спостережній космології», — заявив Стефан Де Баррос (Stephane De Barros), головний автор дослідження та докторант в Університеті Женеви в Швейцарії. «Ми знаємо, що це сталося, але що було причиною? Ці нові знахідки можуть бути великим ключем до розгадки таємниці».
У пошуках світла
Щоб зазирнути в часи, коли невдовзі закінчилася епоха реіонізації, «Спітцер» спостерігав дві ділянки неба понад 200 годин кожну. Це дало змогу космічному телескопу збирати світло, яке пройшло понад 13 мільярдів років, щоб дістатися до нас.
Ці одні з найдовших наукових спостережень, які коли-небудь виконував «Спітцер», були частиною спостереженої кампанії під назвою GREATS, що є скороченням від GOODS Re-ionization Era wide-Area Treasury from Spitzer. Абревіатура GOODS (Great Observatories Origins Deep Survey), що означає «Великі обсерваторії для глибокого огляду»), — це ще одна кампанія в рамках якої виконано перші спостереження за деякими GREATS-об’єктами. У дослідженні, результати якого оприлюднено в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society («Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства»), також використовували архівні дані від Космічного телескопа імені Габбла.
Використовуючи ці «надглибокі» спостережні дані від Spitzer, астрономи аналізували 135 віддалених галактик і виявили, що всі вони особливо яскраві у двох специфічних довжинах хвиль інфрачервоного світла. Світло в цих довжинах хвиль виникає внаслідок взаємодії іонізуючого випромінювання з воднем і киснем у галактиках. Звідси випливає, що в цих галактиках переважали молоді, масивні зорі, утворені головно з водню і гелію. Вони містять дуже невеликі кількості «важких» елементів (наприклад, азот, вуглець і кисень) порівняно із зорями, що присутні в сучасних звичайних галактиках.
Ці зорі — не перші у Всесвіті (інакше вони б складалися тільки з водню і гелію), але вони належать до дуже раннього покоління зір. Епоха реіонізації не була миттєвою подією, а тому, хоча нових результатів і недостатньо, щоб завершити книгу про цю космічну подію, вони дають змогу отримати нові подробиці про те, як Всесвіт розвивався в цей час і як відбувся перехід.
«Ми не очікували, що Spitzer, оснащений невеликим дзеркалом, буде здатний бачити галактики так близько до початку Всесвіту», — сказав Майкл Вернер (Michael Werner), науковець проекту «Спітцер» в лабораторії реактивного руху NASA у Пасадені. «Але природа сповнена сюрпризів, і несподівана яскравість цих ранніх галактик, разом із дивовижною продуктивністю Spitzer, робить їх досяжними для нашої маленької, але потужної обсерваторії».
Космічний телескоп NASA «Джеймс Вебб», який планують вивести в космос у 2021 році, вивчатиме Всесвіт в багатьох довжинах хвиль, в яких спостерігає Spitzer. Але, якщо первинне дзеркало Spitzer становить лише 85 сантиметрів в діаметрі, дзеркало «Вебба» становитиме 6,5 метрів, тобто приблизно в 7,5 разів більше. Це дасть змогу вивчити ці галактики значно докладніше. Справді, «Вебб» спробує виявити світло від перших зір і галактик у Всесвіті. Нове дослідження показує, що завдяки своїй яскравості в інфрачервоних довжинах хвиль, в яких спостерігає Spitzer, телескоп Джеймса Вебба буде їх вивчати легше, ніж вважали раніше.
«Ці результати Spitzer, безумовно, є ще одним кроком у вирішенні таємниці космічної ре іонізації», — сказав Паскаль Еш (Pascal Oesch), доцент Женевського університету і співавтор дослідження. «Тепер ми знаємо, що фізичні умови в цих ранніх галактиках були дуже різними, ніж у нинішніх типових галактиках. Завданням космічного телескопа Джеймса Вебба буде з’ясування докладних цьому причин».
За інф. з сайту www.nasa.gov підготував Іван Крячко
