5 удивительных фактов о первых галактиках во Вселенной

Хотя мы их никогда не видели, вот что мы о них знаем…

Спиральная галактика NGC 2841. Изображение: NASA

Один из самых замечательных фактов о нашей Вселенной заключается в том, что она была не всегда. Сгустки и скопления материи, которые мы видим — планеты, звезды, газовые облака, галактики и многое другое — выросли из небольших частиц материи, которые притягивались друг к другу и слились с течением времени.

Когда мы смотрим на космические объекты на очень больших расстояниях, то нужно понимать, что свет от них, чтобы достичь наших глаз, двигался очень большое время, а это означает, что свет дальних звезд и галактик, который мы видим сегодня, испускался миллионы или даже миллиарды лет назад. Когда мы смотрим в космос, мы смотрим назад во времени. В какой-то момент мы достигнем такого огромного расстояния, когда не было ни звезд, ни галактик. Хотя для просмотра этих самых первых галактик потребуется космический телескоп «Джеймс Вебб» (James Webb), есть пять удивительных фактов об этих самых отдаленных объектах, которые мы уже знаем.

1. У первых звезд и галактик не было твердых планет

Как видно из рисунка, протопланетные диски, с которыми, как считается, образуют все звездные системы, со временем будут слиты в планеты. Однако, когда Вселенная состоит только из водорода и гелия, могут образовываться только газообразные планеты, а не каменистые. Изображение: NAOJ.

Всякий раз, когда формируются звезды из молекулярного облака газа, можно полностью ожидать, что газ будет фрагментироваться в целую кучу сгустков, которые растут с разной скоростью, в зависимости от того, насколько они велики, и что еще находится в их окрестностях. Большие газовые облака превратятся в звёзды и планеты самых разных размеров, но даже самые маленькие миры в первую очередь будут состоять исключительно из газа: водорода и гелия. Без предшествующих поколений звезд не появятся тяжелые элементы для образования твердых тел, таких как твердые планеты или их спутники. Небольшие шарообразные скопления газа могут образоваться, но когда появятся первые звезды, они просто будут сожжены в межзвездном пространстве ионизирующим излучением тех первых ядерных пожаров во Вселенной.

2. Самые ранние галактики крошечные по сравнению с теми, которые есть сейчас

Галактики, сопоставимые с современным Млечным Путем, многочисленны, но более молодые галактики, похожие на Млечный Путь, по своей природе меньше, более голубые и более насыщены газом, чем галактики, которые мы видим сегодня. Изображение: NASA and ESA.

Когда формируются первые нейтральные атомы во Вселенной, они так или иначе сгущаются в плотные или разреженные области определенного размера. Содержащие от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов солнечных масс, они образуют зародыши первых звездных скоплений. В течение, возможно, 50–200 миллионов лет гравитация заставляет эти первые газовые облака разрушаться и формировать первые звезды. Когда звездные скопления начинают под действием гравитации сливаться вместе, возникает быстрое звездообразование, и именно в этот момент, можно сказать, что сформировались первые галактики Вселенной. Даже несмотря на то, что они могли составлять лишь крошечную долю массы Млечного пути, возможно, только 0,001% от этой массы, на самом деле это были галактики, имеющие собственные звезды, звездные скопления, планеты, газ, пыль и даже ореолы темной материи.

3. Даже если телескоп «Хаббл» будет вечно смотреть вглубь Вселенной, он никогда не увидит самых первых галактик

Наибольшая глубина видимости телескопа «Хаббл» — самое глубокое представление о Вселенной на сегодняшний день, которое показывает галактики во времена существования Вселенной, когда ей было всего 3–4% от ее нынешнего возраста. Однако, это абсолютный предел того, как далеко может «видеть» «Хаббл»; большее время наблюдений выявит более слабые галактики, но не более отдаленные. Изображение: NASA and ESA.

Свет, излучаемый этими галактиками, должен быть похож на свет, излучаемый вновь звездообразующими галактиками. Когда образуется галактика, она сначала должна быть наполнена горячими, яркими, недолговечными синими звездами, которые доминируют в светимости среди всех остальных. Но в отличие от близлежащих, свет от этих самых ранних галактик совершает огромное космическое путешествие, которое продолжается более 13 миллиардов лет, чтобы достичь наших глаз. За это время Вселенная расширяется, в результате чего длина волны этого первоначально ультрафиолетового света краснеет, смещаясь через видимый диапазон света и ближнюю инфракрасную область к середине инфракрасной части спектра.

Даже если телескоп «Хаббл», который может просматривать Вселенную довольно далеко в ближнем инфракрасном свете, никогда не будет в состоянии обнаружить галактики в красных смещениях от 15 до 25, в которых они должны располагаться. Для этого нам нужен телескоп «Джеймс Уэбб».

4. Самые массивные звезды во Вселенной существовали только в эти самые ранние времена

Кластер RMC 136 (R136) в туманности Тарантула в Большом Магеллановом Облаке является домом для самых известных звезд. R136a1 — самая большая из них, в 250 раз больше массы Солнца. Изображение: Европейская южная обсерватория.

Сегодня, если мы посмотрим глубоко в звездное пространство, то можем увидеть самые яркие, самые блестящие и самые массивные звезды. Самая большая в нашей местной группе галактики Млечного Пути — туманность Тарантула (см. на фото выше) содержит много сотен тысяч солнечных масс, а также самую известную звезду: R136a1.

Она в 260 раз больше массы нашего Солнца, это самая массивная звезда, когда-либо обнаруженная. Но она, также как и наше Солнце, содержит вещества, находящиеся в верхней части периодической таблицы элементов, которые подавляют первоначальный рост массивных звезд.

У первых же звезд, поскольку они были сделаны из первозданного водорода и гелия, не было этого подавления и они могли расти до еще больших масс. Насколько они были велики? В 500 раз больше, чем Солнце? 1000 раз? 2000 раз? Если повезет, телескоп «Джеймс Вебб» даст нам ответ.

5. Первые сверхмассивные черные дыры должны были появиться внутри первых галактик почти с момента их рождения

Поглощение волны миллиметрового диапазона, излучаемой электронами вокруг мощных магнитных полей, генерируемых сверхмассивной черной дырой галактики, приводит к темному пятну в центре этой галактики. Тень показывает, что холодные облака молекулярного газа, падают в черную дыру.Такие сверхмассивные черные дыры, или, по крайней мере, их зародыши, должны быть найдены в самых первых галактиках Вселенной. Изображение: NASA / ESA & Hubble (синий), ALMA (красный).

Как это ни парадоксально, чем большую массу имеет звезда, тем короче ее продолжительность жизни. Самые массивные звезды живут всего лишь несколько миллионов лет до того, как либо становятся сверхновыми, либо сразу разрушаются; в конечном итоге они превращаются в массивные черные дыры.

Эти черные дыры быстро мигрируют к центру галактики, где они сливаются вместе и срастаются, становясь основой сверхмассивных черных дыр, которые мы видим сегодня.

Самые ранние галактики, даже когда они впервые становятся видимыми, могут содержать черные дыры в сотни тысяч или даже миллионы раз массивнее, чем наше Солнце, сравнимые с четырьмя миллионами солнечных масс, присутствующими в центре Млечного Пути. Эти объекты должны быть там, и «Джеймс Вебб» просто может показать нам, насколько они массивны на самом деле.

Крупномасштабная структура Вселенной изменяется со временем, так как крошечные несовершенства растут, образуя первые звезды и галактики, а затем сливаются вместе, чтобы сформировать крупные современные галактики, которые мы видим сегодня. Глядя на большие расстояния, нам открывается более молодая Вселенная. Изображение: Крис Блейк (Chris Blake) и Сэм Мурфилд (Sam Moorfield).

Заметим, что эти самые отдаленные, самые молодые и самые крошечные галактики не существуют очень долго.

В какой-то момент давным-давно каждая близлежащая галактика, которую мы видим сегодня, не очень отличалась от этих самых первых, которые мы обнаружим чем через год, когда телескоп «Джеймс Уэбб» будет запущен и развернут.

Первые галактики, которые сформировлись гравитационно, выросли больше, поскольку им уже 13,8 млрд лет, и они будут привлекать все больше и больше материи, и сами они, вероятно, будут гигантскими спиралями или эллиптическими элементами в своих собственных группах и кластерах, как и наша галактика — Млечный Путь.

Но в настоящее время у нас нет способа узнать, какое было прошлое в деталях у нашего родного Млечного Пути. В конце концов, великое преступление Вселенной состоит в том, что мы можем видеть её только сегодня, в один конкретный момент времени.

Схема истории Вселенной, выделяющая реионизацию, которая происходит только после образования первых звезд и галактик. До образования звезд или галактик Вселенная была наполнена блокирующими свет нейтральными атомами. В то время как большая часть Вселенной остается реионизированной до 550 миллионов лет спустя Большого взрыва, несколько удачливых регионов в основном реионизируются в более ранние времена. Изображение: с. г. Djorgovski at all Caltech Digital Media Center.

Источник: 5 Surprising Facts About The First Galaxies In The Universe
Перевод: Сергей Базанов