Карликовые галактики — герои реионизации Вселенной: как телескоп Уэбба помог их обнаружить

Вселенная, в которой мы живем, не всегда была такой, какой мы ее видим. Она прошла через множество этапов развития, начиная с Большого взрыва и заканчивая современной эпохой. Одним из самых загадочных и интересных периодов в истории Вселенной является эпоха реионизации, когда первые звезды и галактики прорвались сквозь густой туман из нейтрального водорода и заполнили космос светом. Но какие именно источники излучения способствовали этому процессу? И как они выглядели? На эти вопросы пытаются ответить астрономы с помощью новейшего космического телескопа Джеймс Уэбб, который открыл для нас окно в далекое прошлое.

Что такое эпоха реионизации?

Эпоха реионизации — это время, когда Вселенная была еще очень молодой, примерно от 150 миллионов до 1 миллиарда лет после Большого взрыва. В этот период Вселенная была заполнена плотным облаком из атомов водорода, которые не пропускали ультрафиолетовое излучение. Это означает, что Вселенная была темной и непрозрачной для наших глаз.

Однако, по мере того, как в Вселенной начали появляться первые звезды и галактики, они стали излучать фотоны, которые разрывали атомы водорода на электроны и протоны. Этот процесс называется ионизацией, и он приводил к тому, что Вселенная становилась все более прозрачной и светлой. Эпоха реионизации закончилась, когда большая часть водорода в Вселенной была ионизирована, и свет мог свободно распространяться по космосу.

Какие источники излучения реионизировали Вселенную?

Одним из главных вопросов, которые интересуют астрономов, является то, какие именно источники излучения были ответственны за реионизацию Вселенной. Для того, чтобы ионизировать водород, нужно излучать фотоны с достаточно высокой энергией, которые могут преодолеть электрическое притяжение между электроном и протоном. Такие фотоны называются ионизирующими, и они имеют длину волны меньше 912 ангстрем (0,0912 микрометра).

Существует несколько возможных кандидатов на роль источников ионизирующего излучения в ранней Вселенной. Одним из них являются квазары — яркие объекты, которые светятся за счет падения материи на сверхмассивные черные дыры в центрах галактик. Квазары могут излучать огромное количество ультрафиолетового света, но они также очень редки и неравномерно распределены по Вселенной. Поэтому многие астрономы считают, что квазары не могли в одиночку реионизировать Вселенную.

Другим возможным источником являются звезды — особенно горячие и массивные звезды, которые живут очень короткий период времени, но излучают много ультрафиолетового света. Звезды образуются в галактиках, которые могут быть разных размеров и форм. Самые яркие и крупные галактики легко обнаружить даже на больших расстояниях, но они также не могут объяснить всю реионизацию Вселенной. Ведь чем дальше мы смотрим в космос, тем на более ранних этапах мы видим Вселенную, и тем меньше она была. Поэтому в ранней Вселенной должно было быть больше маленьких и тусклых галактик, которые трудно заметить даже самыми мощными телескопами.

Как телескоп Уэбб помогает изучать ранние галактики?

Для того, чтобы найти эти маленькие и тусклые галактики, нужен особенный инструмент, который может смотреть глубоко в космос. Таким инструментом является космический телескоп Джеймс Уэбб, который был запущен в космос в конце 2021 года. Этот телескоп имеет огромное зеркало диаметром 6,5 метра, которое позволяет ему собирать больше света от далеких объектов. Кроме того, телескоп Уэбб работает в инфракрасном диапазоне, который лучше подходит для изучения ранней Вселенной. Дело в том, что свет от далеких галактик растягивается за счет расширения Вселенной, и его длина волны увеличивается. Это явление называется красным смещением, и его суть в том, что ультрафиолетовый свет от ранних галактик смещается в инфракрасную область спектра.

Телескоп Уэбб имеет несколько инструментов, которые позволяют ему не только фотографировать далекие галактики, но и измерять их спектры — то есть распределение света по длинам волн. Спектры помогают узнать много информации о галактиках, такой как их расстояние, скорость, химический состав, температура, масса, возраст и т. д. Один из таких инструментов — это ближний инфракрасный спектрограф (NIRSpec), который может одновременно измерять спектры до 100 объектов в одном поле зрения. Это очень полезно для изучения множества далеких галактик за один раз. Это помогает астрономам понять, как они образовались и эволюционировали.

Как астрономы обнаружили самые тусклые галактики в ранней Вселенной?

Для того, чтобы обнаружить самые тусклые галактики в ранней Вселенной, астрономы использовали хитрый трюк, который называется гравитационным линзированием. Это явление, когда массивный объект, такой как галактическое скопление, искривляет пространство вокруг себя и действует как линза, увеличивая и искажая изображение далеких объектов, которые находятся за ним. Таким образом, гравитационная линза позволяет увидеть галактики, которые иначе были бы слишком тусклыми для наблюдения.

Астрономы выбрали одну из таких гравитационных линз — скопление Абелл 2744, которое также известно как Скопление Пандоры. Это одно из самых массивных и сложных скоплений в небе, которое состоит из нескольких столкнувшихся галактик и газа. С помощью телескопа Уэбб астрономы сделали ультраглубокие снимки этого скопления и обнаружили восемь очень тусклых галактик, которые находятся за ним на расстоянии около 13 миллиардов световых лет. Это означает, что мы видим их такими, какими они были примерно через 700 миллионов лет после Большого взрыва.

Затем астрономы измерили спектры этих галактик с помощью спектрографа NIRSpec. Спектры показали, что эти галактики имеют очень сильное красное смещение, что подтверждает очень большое расстояние до них, и следовательно их древность. Кроме того, спектры позволили оценить, сколько ионизирующего излучения эти галактики производят. Оказалось, что они излучают в четыре раза больше, чем предполагалось ранее. Это значит, что эти галактики являются очень эффективными источниками реионизации Вселенной.

Какова роль маленьких галактик в эволюции Вселенной?

Это открытие имеет большое значение для понимания роли маленьких галактик в эволюции Вселенной. Оказывается, что эти галактики, несмотря на свой крошечный размер, играют ключевую роль в преобразовании состояния Вселенной от темного и непрозрачного к светлому и прозрачному. Эти галактики также могут быть прародителями современных галактик, которые образовались в результате слияния и роста маленьких галактик. Поэтому изучение этих галактик помогает нам понять, как формировалась и развивалась наша собственная галактика — Млечный Путь.

Для того, чтобы подтвердить и расширить эти результаты, астрономы планируют провести еще более глубокие наблюдения с помощью телескопа Уэбб. Они будут использовать другое гравитационное линзирование — скопление Абелл S1063, чтобы найти еще более тусклые галактики в эпоху реионизации. Они также будут исследовать период, называемый Космический Рассвет, в котором Вселенная была всего несколько миллионов лет, чтобы узнать, как появились первые звезды и галактики.

Телескоп Уэбба открывает для нас новые горизонты в изучении ранней Вселенной. Он позволяет нам увидеть самые древние и тусклые галактики, которые осветили темноту и сформировали основу для современной космической структуры. Это удивительное путешествие в прошлое помогает нам лучше понять наше место и происхождение в Вселенной.