На вялікім малюнку злева на сцэне пераважаюць мноства галактык масіўнага кластара пад назвай MACS J1149 + 2223. Гравітацыйная лінза гіганцкага кластара асвятліла святло ад новай знойдзенай галактыкі, вядомай як MACS 1149-JD, каля 15 разоў. У правым верхнім куце частковае павелічэнне паказвае MACS 1149-JD больш дэталёва, а ніжні справа з'яўляецца больш глыбокім. (NASA / ESA / STScI / JHU)

Астраномы пацвярджаюць другую найбольш далёкую Галактыку, і зоркі яе ўжо старыя

Яшчэ да таго, як у нас з'явіўся касмічны тэлескоп Джэймса Уэбба, спрэчка наконт таго, калі ўтвараюцца першыя зоркі.

Калі мы глядзелі нашыя самыя магутныя тэлескопы, мы яшчэ не знайшлі мяжы, дзе зоркі і галактыкі перастаюць існаваць. Існуе вялікі разрыў паміж першай галактыкай, якую мы калі-небудзь сустракалі - GN-z11, з часоў, калі Сусвету было ўсяго 400 мільёнаў гадоў, - і рэйкай Вялікага выбуху, калі Сусвету было 380 000 гадоў. Паміж намі, мы ведаем, што першыя зоркі павінны быць там, але ў нас няма магчымасцей наўпрост бачыць у гэтым дыяпазоне. Пакуль мы не атрымаем касмічнага тэлескопа Джэймса Уэбба, у нас будуць толькі ўскосныя дадзеныя, якія будуць накіроўваць нас.

Калі мы вывучаем усё больш Сусвету, мы можам выглядаць далей у прасторы, што прыраўноўваецца да часу назад. Касмічны тэлескоп Джэймса Уэбба наўпрост прывядзе нас у глыбіню, з якой нашы сучасныя назіранні не могуць адпавядаць. (Каманды НАСА / JWST і HST)

Але што да ўскосных доказаў, мы проста атрымалі велізарны стымул. Навукоўцы толькі што пацвердзілі другую найбольш далёкую галактыку: MACS1149-JD1, святло якой паходзіць з таго часу, калі Сусвету было 530 мільёнаў гадоў: менш за 4% ад сучаснага ўзросту. Але што характэрна, што нам удалося выявіць там кісларод, адзначаючы першы раз, калі мы бачылі гэты цяжкі элемент так далёка назад. З назіранняў, якія мы зрабілі, мы можам зрабіць выснову, што гэтая галактыка мае, па меншай меры, 250 мільёнаў гадоў, што падштурхоўвае прамыя доказы першых зорак яшчэ далей, чым раней.

Прынцыповая схема гісторыі Сусвету, якая падкрэслівае рэінізацыю. Да таго, як утварыліся зоркі ці галактыкі, Сусвет была поўная святлаабладальных нейтральных атамаў. У той час як большая частка Сусвету не рэанімуецца да 550 мільёнаў гадоў пасля гэтага, некалькі шчаслівых рэгіёнаў у асноўным рэанімізуюцца значна раней. (С. Г. Джоргоўскі і інш., Каліфарнійскі цэнтр лічбавых медыя)

Зыходзячы з таго, што Сусвет складаецца з: 68% цёмнай энергіі, 27% цёмнай матэрыі, 4,9% нармальнай матэрыі, 0,1% нейтрына і крыху (~ 0,01%) выпраменьвання, мы можам мадэляваць, як і калі ён павінен фармавацца. зоркі і галактыкі. Паколькі мы можам вымераць пачатковыя ўласцівасці, якія ён меў непасрэдна, калі яму было 380 тысяч гадоў, усё, што нам трэба зрабіць, гэта ўключыць законы фізікі і развіваць яе наперад у часе. Калі мы робім гэта, нашы лепшыя мадэляванні паказваюць на выдатную гісторыю стварэння касмічнай сеткі структуры з цягам часу, якая дасягае кульмінацыі галактык і груп / кластараў галактык, падзеленых велізарнымі касмічнымі пустэчамі ў гэтай пашыраецца, якая паскарае Сусвет.

Калі законы фізікі будуць адпавядаць чаканым, мы чакаем, што наступіць перыяд Сусвету - цёмныя стагоддзі -, дзе матэрыя будзе гравітацыйна ўцягнута ў гэтыя перанапружаныя рэгіёны, але яшчэ не разбурылася і не скарацілася, каб утварыць зоркі. Першыя зоркі могуць сысці ад 50 да 200 мільёнаў гадоў, і потым, пасля таго, вялікая колькасць утварэння зорак павінна адбыцца адразу. Найменшыя зорныя навалы зліваюцца ў вялікія і ў канчатковым выніку становяцца праталактыкамі: будаўнічымі блокамі галактык, якія мы бачым сёння. У рэшце рэшт, праз 550 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху, утворыцца дастаткова зорак, што Сусвет будзе ачышчана ад нейтральных атамаў, якія блакуюць святло, і мы зможам убачыць усё з дастаткова магутным аптычным тэлескопам.

Уражанне мастака аб навакольным асяроддзі ў раннім Сусвеце пасля таго, як некалькі першых трыльёнаў зорак сфармаваліся, жылі і паміралі. Існаванне і жыццёвы цыкл зорак - гэта асноўны працэс, які ўзбагачае Сусвет, а не толькі вадарод і гелій, а выпраменьванне, якое выпраменьвае першыя зоркі, робіць яго празрыстым для бачнага святла. Мы пакуль не змаглі праглядзець непасрэдна насельніцтва гэтых першых зорак. (NASA / ESA / ESO / Wolfram Freudling і інш. (STECF))

Але калі гэтыя першыя зоркі сур'ёзна ўключыліся? Якія іх уласцівасці і чым яны адрозніваюцца ад сучасных зорак? Як хутка яны выгараюць і калі ўтвараюцца першыя зоркі са скалістымі планетамі і / або патэнцыйнымі інгрэдыентамі для жыцця? І ці ёсць пераважная вобласць космасу, дзе ўсё гэта адбываецца?

Да гэтага моманту нам удалося вярнуцца каля 400 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху праз вялікія абсерваторыі НАСА, выявіўшы маладыя галактыкі, якія ўжо даволі развіваліся. Ускосна мы змаглі вымераць канкрэтную подпіс, якая паказвае на зоркі, якія ўтвараюцца яшчэ раней: калі Сусвету было паміж 180 і 260 мільёнамі гадоў. Мы думалі, што трэба будзе пачакаць, пакуль падыдзе касмічны тэлескоп Джэймса Уэбба, каб пацвердзіць гэта.

Велізарны «апусканне», які вы бачыце на графіцы, прамы вынік нядаўняга даследавання Bowman et al. (2018), паказвае беспамылковы сігнал 21-сантыметровага выпраменьвання з часоў, калі Сусвет мела ўзрост ад 180 да 260 мільёнаў гадоў. Мы лічым, што гэта ўключэнне першай хвалі зорак і галактык у Сусвеце. Зыходзячы з гэтых доказаў, пачатак «касмічнай зоры» пачынаецца з чырвонага зруху ў 22 гады. (JD Bowman et al., Прырода, 555, L67 (2018))

Але новае даследаванне, апублікаванае 16 мая 2018 года ў Nature, магчыма, якраз і дало нам пацверджанне, што нам трэба, каб зоркі сапраўды існавалі ў тыя раннія часы. Ёсць мноства кандыдатаў ультрадалёных галактык: галактыкі, ультра-чырвоныя (ці нават інфрачырвоныя) колеры паказваюць, што яны, магчыма, вельмі далёкія. Але пакуль гэтыя адлегласці не пацвердзяцца, ёсць верагоднасць, што яны проста суразмоўцы. На самай справе, на пачатку гэтага тыдня адна з самых ранніх галактык-кандыдатаў была паказана менавіта такой перамычкай; гэта адбываецца часта, і падкрэсліваецца, чаму мы патрабуем пацверджання.

Уражлівы велізарны галактычны кластар MACS J1149.5 + 223, святло якога спатрэбілася за 5 мільярдаў гадоў, каб дасягнуць нас, стала мэтай адной з праграм Hubble Frontier Fields. Гэты масіўны аб'ект гравітацыйна лінзуе аб'екты за ім, расцягваючы і павялічваючы іх, і дазваляе нам бачыць больш далёкія паглыбленні глыбінь космасу, чым у адносна пустым рэгіёне. (NASA, ESA, S. Rodney (Універсітэт Джона Хопкінса, ЗША) і каманда FrontierSN; Т. Treu (Каліфарнійскі універсітэт у Лос-Анджэлесе, ЗША), P. Kelly (Каліфарнійскі ўніверсітэт Берклі, ЗША) і каманда GLASS; J Лоц (STScI) і каманда памежных палёў; М. Паштальён (STScI) і каманда CLASH; і З. Левай (STScI))

Але галактыка MACS1149-JD1 сапраўды была пацверджана настолькі далёка, як мы думалі, і зрабіла яе другой самай далёкай галактыкай, якую калі-небудзь бачыў. І ўнутры гэтага мы не проста знайшлі інгрэдыентаў, якія, як мы чакаем, атрымалі першыя зоркі: вадарод і гелій. Кісларод таксама быў там, і Кітай у трэцім самым распаўсюджаным элеменце Сусвету стварыўся не ў Вялікім выбуху, а толькі пасля таго, як першыя пакаленні зорак жылі і паміралі.

Рэшткі звышновых (L) і планетарныя туманнасці (R) - гэта шлях да таго, як зоркі змогуць перапрацаваць свае згарэлыя цяжкія элементы ў міжзоркавую сераду і наступнае пакаленне зорак і планет. Па-сапраўднаму першыя, некранутыя зоркі павінны былі быць створаны перад тым, як звышновыя, планетарныя туманнасці або зліцці нейтронных зорак забруджваюць міжзоркавую сераду цяжкімі элементамі. Выяўленне кіслароду ў гэтай звышдалёкай галактыцы, разам з яркасцю галактыкі, кажа нам, што гэта ўжо сотні мільёнаў гадоў. (ESO / Вельмі вялікі тэлескоп / інструмент FORS і каманда (L); NASA, ESA, CR O'Dell (Вандэрбільт) і Д. Томпсан (Вялікі бінакулярны тэлескоп) (R))

Сігналізацыя кіслароду і назіраная яркасць галактыкі, а таксама подпісы вадароду, якія дапамаглі дакладна вызначыць яго адлегласць, назіраліся спалучэннем чатырох далёкіх абсерваторый: ALMA, VLT ESO, Хабла і Шпіцэра. Яркасць паказвае на тое, што галактыка ўжо некаторы час фармуе зоркі, паколькі яна патрабуе нарошчвання з часам, каб дасягнуць назіраных узроўняў. Гэта стварае карціну касмічнай зары гэтай галактыкі, якая адпавядае ўсім астатнім: там, дзе першыя зоркі, створаныя для стварэння гэтай галактыкі, утварыліся толькі праз 250 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху.

Уся наша касмічная гісторыя тэарэтычна добра вывучана, але толькі якасна. Менавіта па назіранні, пацвярджаючы і раскрываючы розныя этапы мінулага нашай Сусветы, якія павінны былі адбыцца, напрыклад, калі ўтварыліся першыя зоркі і галактыкі, мы сапраўды можам зразумець наш космас. Вялікі выбух усталёўвае фундаментальную мяжу таго, як далёка мы можам бачыць у любым кірунку. (Ніколь Рэгер Фуллер / Нацыянальны навуковы фонд)

Гэта ўяўляе сабой яшчэ адзін крок у раней нязведаныя касмічныя воды. Ніколі раней мы не бачылі такой далёкай галактыкі з пацверджанай папуляцыяй спелых зорак. Як распавядае Рычард Эліс, суаўтар новага даследавання:

Вызначэнне часу, калі адбылася касмічная зара, падобна на "Святы Грааль" касмалогіі і галактыкі. З дапамогай MACS1149-JD1 нам удалося даследаваць гісторыю за межамі таго, калі мы можам сапраўды выявіць галактыкі з сучаснымі аб'ектамі. З'яўляецца новы аптымізм, які становіцца ўсё бліжэй і бліжэй да таго, каб стаць сведкамі непасрэдна нараджэння зорнага святла. Паколькі мы ўсе зроблены з апрацаванага зорнага матэрыялу, гэта сапраўды знаходзіць уласнае паходжанне.
Першыя зоркі і галактыкі ў Сусвеце будуць акружаны нейтральнымі атамамі (у асноўным) газу вадароду, які паглынае зорнае святло. Мы пакуль не можам назіраць за гэтым першым зорным святлом непасрэдна, але мы можам назіраць, што адбываецца пасля касмічнай эвалюцыі, што дазваляе нам зрабіць выснову, калі зоркі павінны былі ўтварыцца ў вялікай колькасці. (Ніколь Рэгер Фуллер / Нацыянальны навуковы фонд)

Упершыню нам удалося паспяхова зрабіць выснову аб наяўнасці галактык на сотні мільёнаў гадоў раней, чым мы можам іх непасрэдна выявіць. Мы бліжэй, чым калі-небудзь, адказвалі на пытанне, калі першыя зоркі і галактыкі выйшлі з цемры ранняй Сусвету. І калі ў 2020 годзе запусцяць касмічны тэлескоп Джэймса Уэбба, мы будзем дакладна ведаць, чаго чакаць з пункту гледжання адказаў на адно з найвялікшых касмічных пытанняў усіх.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".