Свет первых звезд: как была открыта самая далекая галактика в известной Вселенной
Ученые из Японии, Великобритании, Нидерландов и США обнаружили галактику, находящуюся на рекордном расстоянии от Земли. Ее свет добирался до земных телескопов более 13 млрд лет. Сейчас мы видим ее такой, какой она была всего через 300 млн лет после Большого взрыва. Возможно, ее свет — это свет древнейших звезд во Вселенной, которых астрономы еще никогда не видели.
Большой взрыв: факты и заблуждения
Чтобы объяснить, чем так важно наблюдение самых далеких галактик, поговорим о том, как появилась наблюдаемая Вселенная.
Люди, далекие от астрономии, часто неправильно представляют себе Большой взрыв и расширение Вселенной. Им кажется, что некогда пространство вообще не существовало или было свернуто в точку. А потом в этой точке произошел Большой взрыв, и из нее-то и началось расширение пространства. Эти неверные представления подкрепляет популярное сравнение Вселенной с надувающимся воздушным шариком.
Верно, что Большой взрыв — это начало расширения Вселенной. Но не было единственной точки, в которой он произошел и из которой, как шар из своего центра, раздулась Вселенная. Расширение началось во всех точках пространства сразу. Представьте себе пространство как эластичную скатерть. Если ее тянуть за все края сразу, она будет растягиваться, то есть расширяться. Но даже до начала расширения скатерть уже была протяженной (а вовсе не «свернутой в точку»). Однако расширение действительно увеличивает расстояние между любыми двумя точками: отрезок, проведенный на скатерти фломастером, становится все длиннее.
Конечно, у реального пространства едва ли есть края, и расширение происходит не потому, что за них кто-то тянет. В действительности скатерть Вселенной, скорее всего, бесконечна (мы не знаем этого точно). И если это так, то она была бесконечной и до Большого взрыва. С тех пор пространство расширилось хотя и в очень большое, но все же конечное количество раз.
Другое дело, что мир до Большого взрыва был совсем другим. В нем были какие-то поля и частицы, но не существовало даже протонов и атомов, не говоря о звездах и планетах. В этом, и только этом, смысле Большой взрыв можно считать моментом рождения Вселенной. Точнее было бы сказать — Вселенной, какой мы ее знаем.
Телескоп как машина времени
Большой Взрыв произошел примерно 13,8 млрд лет назад. Уже в первую минуту начали образовываться атомные ядра. Спустя сотни тысяч лет они объединились с электронами в атомы. Свет первых звезд озарил Вселенную через сотни миллионов лет.
Все крупные галактики, в том числе и наша, начали формироваться вскоре после Большого взрыва. В этом смысле они почти ровесницы Вселенной. Но космос не оставался неизменным за прошедшие миллиарды лет. Галактики росли, сталкиваясь и сливаясь друг с другом. Погасли первые звезды, разбросав по окрестностям вещество, переработанное в термоядерных топках. Из этого пепла образовались светила второго поколения. Отгорев, они стали строительным материалом для звезд третьего поколения, к которым относится и Солнце. Наблюдая настоящее Вселенной, очень трудно восстановить ее прошлое. Это не легче, чем сказать, какие континенты, океаны и горные цепи существовали на Земле за миллиарды лет до появления человека.
К счастью, у астрономов ключ к путешествиям во времени. Он в гигантских расстояниях, которыми разделены галактики. Если свет от далекой звездной системы добирался к нам 13 млрд лет, то мы видим ее такой, какой она была 13 млрд лет назад. Вот почему «космические археологи» хотят наблюдать как можно более далекие объекты.
Зыбкие дали
Правда, отличить далекий космический объект от близкого не так уж просто. Большинство галактик выглядит в телескоп как туманные пятнышки, и поди разберись, почему одно ярче другого: потому что ближе или потому что излучает больше света. Но способ есть.
Он основан на том факте, что свет — это разновидность электромагнитных волн. Разные виды этих волн отличаются друг от друга длиной волны, то есть расстоянием между соседними гребнями. Для света оно составляет от 400 нанометров (фиолетовый свет) до 800 нанометров (красный свет). Есть и волны, которые короче световых: ультрафиолетовые, рентгеновские и, наконец, самые короткие — гамма-лучи. Длиннее световых инфракрасные и радиоволны.
И тут самое время вспомнить о расширении Вселенной. Когда пространство растягивается, растягиваются и путешествующие по нему электромагнитные волны. Их гребни отдаляются друг от друга, длина волны растет. Ультрафиолетовые лучи, испущенные далекой галактикой, добираются до Земли уже в виде света, а то и инфракрасных волн.
Разложив свет небесного тела в спектр, то есть «рассортировав» его по длинам волн, можно понять, насколько он растянулся в пути из-за расширения Вселенной. Величина, которая это характеризует, называется красным смещением и обозначается буквой z.
Зная красное смещение, можно вычислить время, которое свет провел в пути, и тем самым расстояние до объекта. Правда, простое правило «время путешествия света в годах равно расстоянию в световых годах» на таких дистанциях уже не работает. Сложные отношения между пространством, временем и гравитацией заставляют ученых уточнять само понятие расстояния и говорить отдельно о радиальном, сопутствующем и других расстояниях. Так что внезапно оказывается, что за 13 млрд лет пути свет далекой галактики в одном смысле преодолел 13 млрд световых лет, в другом 30 млрд, а в третьем и вовсе 270 млрд.
Чтобы не запутать читателя, в дальнейшем мы будем говорить не о расстоянии, а о времени путешествия света. Специалисты же и вовсе обходятся красным смещением, ни во что его не пересчитывая. Астроном говорит: «Я видел объект с z=13», и коллеги восхищенно ахают.
Гостья из прошлого
Авторы нового исследования отыскали две галактики с красным смещением 12–13. Это означает, что их свет был испущен спустя всего 330–380 млн лет после Большого взрыва. Астрономы скромно обозначили эти объекты HD1 и HD2.
Красное смещение было определено не очень точно, потому что исследователи не получили спектр этих галактик, а только измерили поток света в нескольких довольно широких спектральных полосах. Даже просто обнаружить настолько тусклые галактики, выделить их из фона и отличить от сотен тысяч менее интересных объектов было очень непросто. Ученые использовали в общей сложности 1200 часов наблюдательного времени на нескольких первоклассных инструментах, включая орбитальный телескоп Spitzer. Спектральные же наблюдения столь тусклых объектов — задача еще более сложная. Она под силу разве что недавно запущенному в космос «Джеймсу Уэббу», и эти наблюдения уже заказаны.
Однако астрономы уточнили красное смещение HD1 с помощью радиотелескопа ALMA (красное смещение HD2 не уточнялось). Оказалось, что оно равно 13,27. Это означает, что свет был испущен всего через 330 млн лет после Большого взрыва и провел в пути почти 13,5 млрд лет. Это рекорд для любого космического объекта и уникальная возможность заглянуть в далекое прошлое Вселенной.
Несколько астрономов из числа первооткрывателей HD1 и HD2 уже опубликовали препринт еще одной научной статьи. В ней эксперты попытались разобраться в природе излучения своих «крестниц».
Свет и инфракрасные волны, достигшие земных телескопов, когда-то были ультрафиолетовыми лучами, но перестали ими быть из-за расширения Вселенной. Вопрос в том, что породило эти лучи.
Возможно, это излучение вещества, падающего на черную дыру массой в сотни миллионов солнц. Другими словами, HD1 и HD2 представляют собой квазары. Если так, то очень интересно, что в столь древние времена уже успели образоваться подобные «хищники». Такая «скороспелость» наложила бы жесткие ограничения на теории, объясняющие возникновение сверхмассивных черных дыр.
Если звезды зажигают
Возможно также, что источник ультрафиолетовых лучей — постоянно рождающиеся молодые звезды. Но тогда получается, что, по крайней мере, HD1 выпекала звезды как пирожки: более сотни в год. Такая продуктивность многократно превосходит самые смелые ожидания.
А может быть, эти светила рождались в обычном темпе, просто были аномально велики. Массивные звезды ярче и горячее, чем миниатюрные, и испускают больше ультрафиолета.
И тогда очень похоже, что это долгожданные звезды первого поколения. По расчетам теоретиков, первые во Вселенной звезды и были невероятно массивными, намного больше современных.
Станет ли комок вещества звездой, то есть начнутся ли в нем термоядерные реакции, зависит от его массы и состава. Сегодняшний состав космической материи облегчает «зажигание», так что загораются даже звезды, которые вдесятеро легче Солнца. Но это же обстоятельство не позволяет звездам быть массивнее Солнца в сотни и тысячи раз. Термоядерные реакции начнутся при гораздо меньшей массе, и давление света остановит оседание вещества на молодое светило.
Первичная материя, еще ни разу не прошедшая сквозь термоядерные горнила, имела другой состав. И задача стать звездой была куда сложнее. Даже объект солнечной массы не имел никакого шанса загореться и был вынужден вечно прозябать в статусе коричневого карлика. С другой стороны, и верхние ограничения на массу были мягче. Поэтому звезды первого поколения весили как сотни и тысячи солнц.
Массивные звезды сгорают очень быстро. Вряд ли хоть одно из первозданных светил протянуло дольше нескольких миллионов лет (для сравнения: возраст Солнца — около 5 млрд лет, и просуществует оно еще примерно столько же). Поэтому пришедшие из глубокой древности лучи самых далеких галактик — единственный способ наблюдать эти давно погасшие звезды.
До сих пор ни один фотон из глубин космоса не был с уверенностью опознан как испущенный звездами первого поколения. Возможно, что HD1 и HD2 наконец помогут нам воочию увидеть свет, некогда впервые разогнавший тьму космоса.