У 2009 році астрономи змогли спостерігати найбільш віддалені й, отже, найбільш ранні об’єкти у Всесвіті. Чи зможе нове покоління технологій ще більше розширити просторові та часові горизонти досліджуваного Космосу?
Впродовж безсонного тижня у вересні 2009 року увага астрономів Гарта Іллінгворта, Річарда Бовенса та Паскаля Оеша з Університету Каліфорнії (Санта-Круз) була прикута до найбільш ранніх об’єктів у Всесвіті, які коли-небудь вдавалось побачити. На прохання НАСА, тріо астрономів роздивлялись сотні фотографій древніх галактик, зроблених інфрачервоною камерою, яку нещодавно встановили на борту Космічного телескопа «Габбл». Від вчених НАСА лише сподівалася отримати висновок, що апаратура на борту «Габбла» працює коректно. Проте, як виявилося, ці пробні знімки зафіксували найбільш ранні коли-небудь бачені галактики. Дослідження цих об’єктів дає змогу по-новому глянути на цілий ряд процесів у ранньому Всесвіті – від народження перших зірок до таємниць походження галактик.
Об’єкти, які привернули увагу астрономів були настільки дрібними та тьмяними, що спершу вони подумали, що це збої цифрових сенсорів фотокамери. Однак згодом стало зрозуміло, що ці «збої» можна спостерігати лише у червоні фотофільтри, що наштовхнуло їх на висновок, що це дуже ранні галактики, які мають велике червоне зміщення. Впродовж тижня Іллінгворту, Бовенсу та Оешу вдалося описати 20 таких галактик віком біля 13 млрд. років, що сформувалося лише через 600-800 млн. років після Великого Вибуху. Відтоді вони, а також інші вчені постійно спостерігають за ділянкою неба, названою HUDF (Hubble Ultra-Deep Field; «наддалека зона Габбла»). На сьогодні там вже виявили 1400 галактик, старших за 13 млрд. років.
Як стверджують вчені, спостерігаючи за цими об’єктами, ми знайомимось з дуже цікавою епохою – щойно народженим Всесвітом, наповненим міріадами маленьких галактик та освітленим велетенськими молодими зірками, які жили буквально миті та вибухали гігантськими спалахами наднових. Щоб краще дослідити цю епоху, в майбутньому астрономам знадобиться найсучасніша апаратура, зокрема масив радіотелескопів у пустелі Атакама (Чилі), який вже починає працювати, та інфрачервоний орбітальний телескоп «Джеймс Вебб», який у 2018 році запустять на зміну «Габблу».
Впродовж останніх десятиліть астрономи розробили загальну теорію походження галактик. Згідно з цією теорією, одразу після Великого Вибуху утворилася гаряча іонізована плазма, яка складалася з електронів та ядер атомів водню та гелію. Тією мірою, як Всесвіт розширювався, вона поступово охолоджувалася, а приблизно через 370.000 років після Великого Вибуху охолола настільки, що протони та електрони з’єдналися у атоми. Газ, що утворився таким способом, поглинав світло, зануривши молодий Всесвіт у темряву.
Напочатку цей газ (суміш водню та гелію) розподілявся у Всесвіті рівномірно. Проте згодом у ньому виникли коливання, які гравітація одразу ж підсилила. Окремі ділянки цього газу стали густішими, а через кілька сотень мільйонів років - настільки густими, що в них почалась термоядерна реакція. Так виникли перші зорі, які наново іонізували нейтральний газ та знову перетворили його на прозору плазму. Космічні «темні віки» прийшли до завершення.
Одразу після «темних віків» молодий Всесвіт нагадував хаотичний вихор гарячих та холодних хмар газу, вибухів наднових, акреції чорних дір та могутніх зоряних вітрів, що інколи могли «здути» невелику галактику. Процеси, що тоді відбувалися у Всесвіті, настільки складні, що їх неможливо збагнути без емпіричних спостережень. Саме такі спостереження і є основною метою проекту HUDF.
Ділянка HUDF розташована у південній півкулі в районі сузір’я Печі. У звичайні телескопи у ній неможливо побачити щось цікаве. Лише знімки «Габбла» у 2004 році з часом експонування 11,3 днів виявили у ній рій далеких галактик, які ми бачимо так, як вони виглядали мільярди років тому.
Ділянка HUDF у сузір'ї Печі. Червоні об'єкти - найбільш ранні галактики, які першими утворились після Великого Вибуху
У серпні та вересні 2009-го ділянку HUDF додатково дослідили за допомогою Ширококутної камери 3 (Wide Field Camera 3; WFC3), яку встановили на «Габблі» в травні того ж року. WFC3 надзвичайно чутлива до інфрачервоних хвиль. Як відомо, світло від дуже далеких об’єктів поступово зсувається у інфрачервоний спектр внаслідок розширення космосу (ефект «червоного зміщення»).
Саме ці знімки взялись досліджувати Іллінгворт, Бовенс та Оеш. Знаючи, що WFC3 у тридцять разів потужніша за свою попередницю WFC2 (та в 4 млрд. разів потужніша за людське око), астрономи розраховували спостерегти процес народження першого покоління галактик. Проаналізувавши детальніше колір цих об’єктів (при цьому застосували три світлофільтри, адже галактики були надто тьмяні, щоб визначити їхній спектр), вчені виявили, що домінуючим в них є блакитний. Саме таким є світло дуже молодих та яскравих зірок, з чого Іллінгворт, Бовенс та Оеш зробили висновок, що спостерігають за найбільш ранніми зірками в найбільш ранніх галактиках, що утворились після Великого Вибуху.
Сміливість цього висновку одразу змусила інших вчених його перевірити. У 2012 р. астроном Річард Елліс з Каліфорнійського технологічного інституту у Пасадені додатково проаналізував ділянку HUDF, застосувавши цього разу додатковий світлофільтр та експонувавши знімки не 11 днів, а 23. Нові дані показали, що галактики у HUDF червоніші, ніж вважалось, а це, у свою чергу, свідчить про те, що зірки в них старші порівняно з розрахунками Іллінгворта, Бовенса та Оеша. Елліс бачив галактики в зоні HUDF так, як вони виглядали через 560-720 млн. років після Великого Вибуху, а окремі зорі у них вже мали по 100-200 млн. років. Це наштовхує на думку що принаймні увесь цей час ці галактики вже існували.
Спостереження Елліса також відкрило багато цікавого про епоху ре-іонізації. У цю епоху ультрафіолетове світло від перших зір стало достатньо потужним, щоб іонізувати густий туман довколишнього водню. Вчений дійшов до висновку, що вторинна іонізація почалась через 250 млн. років після Великого Вибуху та завершилась приблизно через 1 млрд. Саме тоді Космос став майже прозорим (таким, як ми бачимо його сьогодні).
Елліс також дійшов до висновку, що сумарної енергії найдавніших галактик, які може спостерігати «Габбл», недостатньо, щоб іонізувати Всесвіт та зробити його прозорим. З цього випливає, що зорі та галактики, які й виконали цю «роботу», існували ще раніше. Доступні технології та методи спостереження поки не дають змогу розгледіти такі віддалені та ранні об’єкти.
Інші питання, що досі залишаються без відповіді, стосуються першого покоління зірок. З астрофізичних теорій випливає, що перші зірки, що сформувались після Великого Вибуху, були величезними - приблизно в 100 разів більшими за Сонце. Такі монстри могли жити тільки дуже коротко: не більше як через 2 млн. років їх мали б зруйнувати гігантські вибухи наднових. Однак чи дійсно так було? Якщо це правда, то ці вибухи мали б розсіяти довколишній водень й, отже, сповільнити народження нових зірок.
Зі спостережень HUDF у 2012-му році випливає, що між народженням першого та другого покоління зірок практично не було проміжку, адже на момент спостережень ці галактики вже народжували зірки майже 100 млн. років. Таким чином, два покоління зірок повинні були співіснувати одним з одним. На запитання, як і чому це відбулось, астрономи поки не мають відповідей та планують отримати їх за допомогою майбутніх спостережень у нові телескопи.
Сьогодні у планах НАСА – відшукати ділянки неба, які, на відміну від HUDF, містять великі та яскраві ближні галактики. Такі галактики, згідно з теорією відносності, відіграють роль гравітаційної лінзи, що підсилює світло від далеких об’єктів, розташованих поза ними. Таким чином вчені сподіваються побачити галактики, що від 10 до 50 разів тьмяніші, ніж усі ті, що досі вдавалося зафіксувати. Можливо, таке «гравітаційне лінзування» відкриє і таємничі галактики, що ре-іонізувати Всесвіт через 250 млн. років після Великого Вибуху. Перші дані цих спостережень оприлюднять через 2 роки.
У Чилі мережа радіотелескопів ALMA (Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array) запрацює вже цього літа. На відміну від «Габбла», який спостерігає за світлом від зірок, ALMA фіксуватиме мікрохвилі від газу та пилу, в яких народжуються зірки. На думку астронома Джеймса Данлоупа, це найдосконаліший метод спостереження за народженням зір у дуже далеких галактиках. Адже щойно народжені зірки випромінюють ультрафіолетові хвилі, які поглинаються газом та пилом й наново випромінюються в інфрачервоному діапазоні. У свою чергу, червоне зміщення ще більш зсуває це світло у червону ділянку спектру, до якої найчутливіша апаратура ALMA. Потужностей ALMA достатньо, щоб спостерігати об’єкти, віддалені від Землі на 3955 мегапарсек або 12,9 млрд. світлових років. Вчені бачитимуть ці об’єкти так, як вони виглядали лише через 425 млн. років після Великого Вибуху.
Хоча ALMA відкриває прекрасні перспективи, все ж з особливим нетерпінням астрономи чекають запуску «Джеймса Вебба» у 2018 році. Вчені очікують за допомогою «Вебба» ясно побачити ті об’єкти, на які «Габбл» тільки натякає. «Ми очікуємо, що «Вебб» зсуне вік найраніших об’єктів, які можна спостерігати у Всесвіті ще на 200 млн. років», - стверджує Річард Елліс.
05.06.2013